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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
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
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
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
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
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
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)
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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22
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
Critical Dimension: Minimale
Strukturbreite
29
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
30
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
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
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
35
1980er Jahre
Projektionsbelichtung Verkleinerung um
Faktor 4 - 5
1970er Jahre:
Kontakt- / Proximity-belichtung
1:1 Verhältnis
36
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
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 = 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
46
NA soll möglichst groß sein n muss möglichst groß sein α muss möglichst groß sein
NA = n ∗ sin(α) CD = k ∗λ
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)
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)
52
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°
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
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
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
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
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
193 nm Immersionslithographie:
𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚
1,34≈ 43 𝑛𝑚
Plus Verfahrenstechnische Verbesserungen: aktuell: 22-nm-Technologieknoten Forschung: 14-nm-Technologieknoten
82
193 nm Immersionslithographie:
𝐶𝐷 = 0,3 ∗193 𝑛𝑚
1,34≈ 43 𝑛𝑚
Plus Verfahrenstechnische Verbesserungen: aktuell: 22-nm-Technologieknoten Forschung: 14-nm-Technologieknoten
83
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
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
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
90
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
91
Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium
92
Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium
14-nm-Technologieknoten womöglich noch mit Immersionslithographie und NA > 1,6
93
Alternative Technologien noch im Entwicklungsstadium
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
96