Schlüsseltechnik in der Chipfertigung · Schlüsseltechnik in der Chipfertigung 1 Philipp Gsching...

Schlüsseltechnik in der Chipfertigung

1

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

2

Miniaturisierung


3

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

4

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

Entscheidender Vorteil der Photolithographie:

ermöglicht parallele Produktion von Millionen von Strukturen

5

Grundlagen


6

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

Lichtquelle


Lichtquelle

Maske


Lichtquelle

Maske

Projektionsoptik


Lichtquelle

Maske

Projektionsoptik

Wafer


Lichtquelle Maske

Projektionsoptik

Wafer

Lack

12

Lack

Funktionsschicht

Wafer

13

Lack

Funktionsschicht

Wafer

Maske

14

Belichtung

Lack

Funktionsschicht

Wafer

Maske

15

Lack

Funktionsschicht

Wafer

16

Lack (entwickelt)

Funktionsschicht

Wafer

17

Lack (entwickelt)

Funktionsschicht (strukturiert)

18

Funktionsschicht (strukturiert)

19

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


21

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

23

λ

λ: Wellenlänge

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

24

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

26

27

Critical Dimension: Minimale

Strukturbreite

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

28

Depth of Focus: Schärfentiefe DOF = k ∗

λ

(𝑁𝐴)²

CD = k ∗λ

𝑁𝐴


Strukturbreite

29

Depth of Focus: Schärfentiefe

CD = k ∗λ

𝑁𝐴


Strukturbreite möglichst klein

DOF = k ∗λ

(𝑁𝐴)²


Strukturbreite möglichst klein

Depth of Focus: Schärfentiefe möglichst groß

30

CD = k ∗λ

𝑁𝐴

DOF = k ∗λ

(𝑁𝐴)²


31

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


Mitte 1970er Jahre


CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre

Quecksilber-i-Linie: 365 nm

CD: 1 μm


1970er Jahre:

Kontakt- / Proximity-belichtung

1:1 Verhältnis

35

1980er Jahre

Projektionsbelichtung Verkleinerung um

Faktor 4 - 5

1970er Jahre:

Kontakt- / Proximity-belichtung

1:1 Verhältnis

36

Mitte 1970er Jahre


CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre


CD: 1 μm


Mitte 1970er Jahre


CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre


CD: 1 μm

Anfang 1990er Jahre

KrF-Excimer-Laser 248 nm

CD: 0,5 μm


Mitte 1970er Jahre


CD: 5-6 μm

Mitte 1980er Jahre


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



40

NA = n ∗ sin(α)

41

NA = n ∗ sin(α)

n

n: Brechungsindex des Immersionsmediums

42

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

45

NA soll möglichst groß sein n muss möglichst groß sein


𝑁𝐴

46

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


𝑁𝐴

47

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)


NA = n ∗ sin(α)

𝑛 =𝑐𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

𝑐𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

=λ𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

λ𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚


λ' λ

NA = n ∗ sin(α)

𝑛 =𝑐𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

𝑐𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

=λ𝑉𝑎𝑘𝑢𝑢𝑚

λ𝑀𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚

𝑚𝑖𝑡: 𝑐 = λ ∗ 𝑓


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

𝑛𝑑ü𝑛𝑛𝑒𝑟

𝑛𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟

)

𝑁𝐴 ≈ 0,8 − 0,9

NA = n ∗ sin(α)

52

53 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



𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚



𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚



𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚



𝑛𝐿𝑖𝑛𝑠𝑒 = 1,56 λ = 123 𝑛𝑚

𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 λ = 134 𝑛𝑚


𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 α ≈ 69°

60

𝑛𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 = 1,44 α ≈ 69°

𝑁𝐴 = 1,44 ∗ sin 69° ≈ 1,34

61

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

62


63

k ist Abhängig von:

verschiedenen Verfahren

Verwendeten Materialien

Werte von k:

< 1

Aktuell: ca. 0,3

64

65

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

66

Sprunghafter Anstieg Hoher Kontrast Idealfall: Nur zwei Zustände werden unterschieden

De

nsi

ty

Exposure

Schwellwert

67

Man unterscheidet:

Positivlack Negativlack

68

𝜆: 193 𝑛𝑚

𝑁𝐴: 1,34

𝑘: 0,3

𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚

45-nm-Technologieknoten

69

Auflösung und Abbildungstreue verbessern


70

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

72

Half-pitch: halber Abstand zwischen zwei gleichen Strukturen

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

73

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

81


𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚


82


𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚

1,34≈ 43 𝑛𝑚


83

Extreme Ultra Violet


84

Doch Wellenlänge verringern: 13,5 nm

Viele Probleme und Schwierigkeiten:

Keine transparenten Materialien

Hohlspiegel statt Linsen

85

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


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


Luft stark absorbierend:

(mindestens schwaches) Vakuum benötigt

Neue Fotolacke benötigt

Problem: Im Vakuum gasen Lacke verstärkt aus

Lackschichten müssen sehr dünn sein: < 100 nm

89

Elektronenstrahl- und

Ionenstrahllithographie:

Teilchenstrahlung

Problem: Seriell vs. Parallele Produktion

Nano-Imprint-Lithographie

90


91

Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium

92


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

93


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

Bis 2020: EUV-Lithographie

94

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

95

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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Schlüsseltechnik in der Chipfertigung · Schlüsseltechnik in der Chipfertigung 1 Philipp Gsching...

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