Schlüsseltechnik in der Chipfertigung

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Philipp Gsching Vortrag zum Proseminar „Themen aus dem Gebiet ‘Technische Informatik‘“ der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Im Sommersemester 2014

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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Miniaturisierung

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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Chips in der Fläche begrenzt Taktrate

Widerstand in den Leitern

Kleinere Transistoren: Schalten schneller

Verbrauchen weniger Strom

Mehr IC‘s pro Chip, mehr Chips pro Wafer Kostenreduktion, Effizienzsteigerung

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Wie bringt man tausende oder gar Millionen von Strukturen effizient auf den Wafer?

Entscheidender Vorteil der Photolithographie:

ermöglicht parallele Produktion von Millionen von Strukturen

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Grundlagen

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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7 Bildquelle: http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=46772&dfp_product_id=854 (zuletzt besucht am 08.07.14)

Lichtquelle

8 Bildquelle: http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=46772&dfp_product_id=854 (zuletzt besucht am 08.07.14)

Lichtquelle

Maske

9 Bildquelle: http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=46772&dfp_product_id=854 (zuletzt besucht am 08.07.14)

Lichtquelle

Maske

Projektionsoptik

10 Bildquelle: http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=46772&dfp_product_id=854 (zuletzt besucht am 08.07.14)

Lichtquelle

Maske

Projektionsoptik

Wafer

11 Bildquelle: http://www.asml.com/asml/show.do?lang=EN&ctx=46772&dfp_product_id=854 (zuletzt besucht am 08.07.14)

Lichtquelle Maske

Projektionsoptik

Wafer

Lack

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Lack

Funktionsschicht

Wafer

13

Lack

Funktionsschicht

Wafer

Maske

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Belichtung

Lack

Funktionsschicht

Wafer

Maske

15

Lack

Funktionsschicht

Wafer

16

Lack (entwickelt)

Funktionsschicht

Wafer

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Lack (entwickelt)

Funktionsschicht (strukturiert)

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Funktionsschicht (strukturiert)

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20 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aufbau_CMOS-Chip_2000er.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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CD = k ∗λ

𝑁𝐴

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λ

λ: Wellenlänge

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

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λ

NA λ: Wellenlänge

NA: Numerische Apertur

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

25

λ

k λ: Wellenlänge

NA: Numerische Apertur

k: Prozess- / Materialfaktor

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

NA

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27

Critical Dimension: Minimale

Strukturbreite

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

28

Depth of Focus: Schärfentiefe DOF = k ∗

λ

(𝑁𝐴)²

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

Critical Dimension: Minimale

Strukturbreite

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Depth of Focus: Schärfentiefe

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

Critical Dimension: Minimale

Strukturbreite möglichst klein

DOF = k ∗λ

(𝑁𝐴)²

Critical Dimension: Minimale

Strukturbreite möglichst klein

Depth of Focus: Schärfentiefe möglichst groß

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CD = k ∗λ

𝑁𝐴

DOF = k ∗λ

(𝑁𝐴)²

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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32 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectrum_of_lithography_lights.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

Mitte 1970er Jahre

Quecksilber-g-Linie: 436 nm

CD: 5-6 μm

33 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectrum_of_lithography_lights.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

Mitte 1970er Jahre

Quecksilber-g-Linie: 436 nm

CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre

Quecksilber-i-Linie: 365 nm

CD: 1 μm

34 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectrum_of_lithography_lights.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

1970er Jahre:

Kontakt- / Proximity-belichtung

1:1 Verhältnis

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1980er Jahre

Projektionsbelichtung Verkleinerung um

Faktor 4 - 5

1970er Jahre:

Kontakt- / Proximity-belichtung

1:1 Verhältnis

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Mitte 1970er Jahre

Quecksilber-g-Linie: 436 nm

CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre

Quecksilber-i-Linie: 365 nm

CD: 1 μm

37 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectrum_of_lithography_lights.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

Mitte 1970er Jahre

Quecksilber-g-Linie: 436 nm

CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre

Quecksilber-i-Linie: 365 nm

CD: 1 μm

Anfang 1990er Jahre

KrF-Excimer-Laser 248 nm

CD: 0,5 μm

38 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectrum_of_lithography_lights.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

Mitte 1970er Jahre

Quecksilber-g-Linie: 436 nm

CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre

Quecksilber-i-Linie: 365 nm

CD: 1 μm

Anfang 1990er Jahre

KrF-Excimer-Laser 248 nm

CD: 0,5 μm

Anfang 2000er Jahre bis heute

ArF-Excimer-Laser: 193 nm

CD: 22 nm

39 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectrum_of_lithography_lights.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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NA = n ∗ sin(α)

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NA = n ∗ sin(α)

n

n: Brechungsindex des Immersionsmediums

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n: Brechungsindex des Immersionsmediums

α: Akzeptanzwinkel

NA = n ∗ sin(α)

n α

43

NA = n ∗ sin(α) CD = k ∗λ

𝑁𝐴

44

NA soll möglichst groß sein

NA = n ∗ sin(α) CD = k ∗λ

𝑁𝐴

45

NA soll möglichst groß sein n muss möglichst groß sein

NA = n ∗ sin(α) CD = k ∗λ

𝑁𝐴

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NA soll möglichst groß sein n muss möglichst groß sein α muss möglichst groß sein

NA = n ∗ sin(α) CD = k ∗λ

𝑁𝐴

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NA = n ∗ sin(α)

48 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wave_refraction.gif (zuletzt besucht am 08.07.14)

NA = n ∗ sin(α)

49 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wave_refraction.gif (zuletzt besucht am 08.07.14)

NA = n ∗ sin(α)

𝑛 =𝑐𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

𝑐𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

=λ𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

λ𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

50 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wave_refraction.gif (zuletzt besucht am 08.07.14)

λ' λ

NA = n ∗ sin(α)

𝑛 =𝑐𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

𝑐𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

=λ𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

λ𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

𝑚𝑖𝑡: 𝑐 = λ ∗ 𝑓

51 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wave_refraction.gif (zuletzt besucht am 08.07.14)

n: 𝑛𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚 = 1 𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1,000292 𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒𝑛𝑔𝑙𝑎𝑠 = 1,56 α: Totalreflexion bei arcsin (

𝑛𝑑ü𝑛𝑛𝑒𝑟

𝑛𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟

)

𝑁𝐴 ≈ 0,8 − 0,9

NA = n ∗ sin(α)

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53 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

54 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

55 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

56 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

57 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

58 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑢𝑓𝑡 = 1 λ = 193 𝑛𝑚

𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 λ = 134 𝑛𝑚

59 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Immersionlithografie_-_Auflösungsvorteil.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 α ≈ 69°

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𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 α ≈ 69°

𝑁𝐴 = 1,44 ∗ sin 69° ≈ 1,34

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𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 α ≈ 69°

𝑁𝐴 = 1,44 ∗ sin 69° ≈ 1,34 Vergleich mit Einführung der 157 nm Wellenlänge:

157 𝑛𝑚

193 𝑛𝑚≈ 19% 𝑉𝑒𝑟𝑏𝑒𝑠𝑠𝑒𝑟𝑢𝑛𝑔

1,34

0,9≈ 48% 𝑉𝑒𝑟𝑏𝑒𝑠𝑠𝑒𝑟𝑢𝑛𝑔

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1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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k ist Abhängig von:

verschiedenen Verfahren

Verwendeten Materialien

Werte von k:

< 1

Aktuell: ca. 0,3

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k ist Abhängig von:

verschiedenen Verfahren

Verwendeten Materialien

Werte von k:

< 1

Aktuell: ca. 0,3

Wichtiger Faktor: der Lack

Linearer Bereich Graustufen

De

nsi

ty

Exposure

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Sprunghafter Anstieg Hoher Kontrast Idealfall: Nur zwei Zustände werden unterschieden

De

nsi

ty

Exposure

Schwellwert

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Man unterscheidet:

Positivlack Negativlack

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𝜆: 193 𝑛𝑚

𝑁𝐴: 1,34

𝑘: 0,3

𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚

45-nm-Technologieknoten

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Auflösung und Abbildungstreue verbessern

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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71 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_exposure_type_A.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Warum nicht gleich engere Strukturen?

Intensität

Intensität (kumulativ)

Maske

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Half-pitch: halber Abstand zwischen zwei gleichen Strukturen

Double patterning ermöglicht Halbierung des half-pitch 22-nm - Technologieknoten

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Maske Wafer

74 Bildquelle oben: http://www.chiplayout.net/wp-content/uploads/2010/12/OPC-11.jpg (zuletzt besucht am 08.07.14) Bildquelle unten: http://www.chiplayout.net/wp-content/uploads/2010/12/OPC-21.jpg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Original Assist Bars Bias Serifs Jog Hammer- head

75 Bildquelle oben: http://pkl.narapia.com/english/images/product/product13_3.jpg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Maske Wafer

76 Bildquelle: http://www.chiplayout.net/wp-content/uploads/2010/12/OPC-21.jpg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Maske Wafer

77 Bildquelle: http://www.microunity.com/img/opticalproximity.png (zuletzt besucht am 08.07.14)

Phasen(-Verschiebungs-)Masken

Phase: Wo in der Periode befindet sich eine Welle zu einem bestimmten Ort und Zeit

78 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sine_cosine_one_period.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Maske

Phase

Super- Position

Intensität

79 Bildquelle: http://videoprocessing.ucsd.edu/~stanleychan/research/litho_pix/PSM.jpg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Maske

Phase

Super- Position

Intensität

Vertiefung

80 Bildquelle: http://videoprocessing.ucsd.edu/~stanleychan/research/litho_pix/PSM.jpg (zuletzt besucht am 08.07.14)

193 nm Immersionslithographie:

𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚

Plus Verfahrenstechnische Verbesserungen: aktuell: 22-nm-Technologieknoten Forschung: 14-nm-Technologieknoten

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193 nm Immersionslithographie:

𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚

Plus Verfahrenstechnische Verbesserungen: aktuell: 22-nm-Technologieknoten Forschung: 14-nm-Technologieknoten

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193 nm Immersionslithographie:

𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚

Plus Verfahrenstechnische Verbesserungen: aktuell: 22-nm-Technologieknoten Forschung: 14-nm-Technologieknoten

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Extreme Ultra Violet

1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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Doch Wellenlänge verringern: 13,5 nm

Viele Probleme und Schwierigkeiten:

Keine transparenten Materialien

Hohlspiegel statt Linsen

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Mehrschichtspiegel:

86 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dielectric_mirror_diagram.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Mehrschichtspiegel: Reflexionsgrad: ca. 70% 6-Spiegel-System: 88% Verlust Starke Quellen erforderlich: ca. 100W

87 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dielectric_mirror_diagram.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Mehrschichtspiegel: Kühlung erforderlich Spiegel altern schnell Ebenheit bis auf 2 nm Masken müssen ebenfalls als Spiegel ausgeführt werden

88 Bildquelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dielectric_mirror_diagram.svg (zuletzt besucht am 08.07.14)

Luft stark absorbierend:

(mindestens schwaches) Vakuum benötigt

Neue Fotolacke benötigt

Problem: Im Vakuum gasen Lacke verstärkt aus

Lackschichten müssen sehr dünn sein: < 100 nm

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Elektronenstrahl- und

Ionenstrahllithographie:

Teilchenstrahlung

Problem: Seriell vs. Parallele Produktion

Nano-Imprint-Lithographie

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1. Motivation 2. Grundlagen: Photolithographie 3. Critical Dimension 4. Die Wellenlänge λ 5. Die Numerische Apertur NA 6. Der Prozess-/Materialfaktor k 7. Verfahren 8. EUV-Lithographie 9. Ausblick

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Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium

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Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium

14-nm-Technologieknoten womöglich noch mit Immersionslithographie und NA > 1,6

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Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium

14-nm-Technologieknoten womöglich noch mit Immersionslithographie und NA > 1,6

Bis 2020: EUV-Lithographie

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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Literatur: French, R. H., Tran, H. V., Immersion Lithography: Photomask and Wafer-Level Materials, Annual

Review of Materials Research, 2009 Hilleringmann, U., Silizium-Halbleitertechnologie, B.G. Teubner Stuttgart, 1999 Köhler, M., Fritzsche, W., Nanotechnology – An Introduction to Nanostructuring Techniques,

Wiley-VCH, 2008 Lee, S., Byers, J., et al., An analysis of double exposure lithography options, Optical

Microlithography XXI, 2008 Rothschild, M., et al., Photolithography at 193 nm, The Lincoln Laboratory Journal, 1997 Sanders, D. P., Advances in Patterning Materials for 193 nm Immersion Lithography, Chemical

Review, 2010 Siffert, P., Krimmel E., Silicon – Evolution and Future of a Technology, Springer, 2004 Web: http://www.halbleiter.org/metallisierung/ (zuletzt abgerufen am 09.07.14) http://www.halbleiter.org/lithografie/ (zuletzt abgerufen am 09.07.14) http://de.wikipedia.org/wiki/Fotolithografie_%28Halbleitertechnik%29 (zuletzt abgerufen am

09.07.14) http://de.wikipedia.org/wiki/Immersionslithografie (zuletzt abgerufen am 09.07.14) Bildquellen bei den Bildern; Bilder ohne Quellenangabe vom Autor erstellt

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