Übersicht. 6. Lithographie: 1. Optische Lithographie. 2. e-beam / AFM /STM. 3. Röntgen. 4. EUV (soft X-ray) 5. Imprint Technologie

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1 Übersicht : 1. Optische Lithographie 2. e-beam / AFM /STM 3. Röntgen 4. EUV (soft X-ray) 5. Imprint Technologie Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-1 Der Begriff "Lithographie" stammt aus dem Altgriechischen und bedeutet soviel wie "Steinschreiben". Von der technischen Betrachtung her, kann die Lithographie jedoch eher mit der konventionellen (nichtdigitalen) Fotographie verglichen werden. B6.1-1

2 Fertigungsprinzip 5-30 Maskenschritte Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-2 Die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist im Prinzip ein sich wiederholender Kreislauf (Anzahle der Maskenschritte) von Strukturierung, Abscheidung und Reinigung. Benötigte Materialien sind Isolatoren, im wesentlichen SiO 2 (Siliziumdioxid) und Si 3 N 4 (Siliziumnitrid), p- und n-dotiertes Silizium und Metalle bzw. Metallverbindungen. Die Anzahl der Maskenschritte variiert je nach Komplexität der Schaltung zwischen 5 und 30. Der gesamte Fertigungsprozess in der Halbleitertechnologie besteht aus zirka Einzelschritten und dauert ungefähr 4-8 Wochen. B6.1-2

3 Geschichte Kriterien: Auflösung Genauigkeit Defektdichte Kosten Durchsatz Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-3 Im Rahmen der zunehmenden Bauelementverkleinerung sind auch die Anforderungen an die Lithographieverfahren gewachsen. In der Abbildung ist ein Überblick über die zu erzielenden Linienbreiten mit den heute möglichen Verfahren gegeben. Optische Verfahren sind der Standard in der Produktion. Bei der fortschreitenden Miniaturisierung zeichnet sich jedoch ein baldiges Erreichen der mit optischer Lithographie realisierbaren Grenze der Miniaturisierung ab. Zwar wurde diese geschätzte Grenze der kleinstmöglichen Strukturen, die mit optischer Lithographie realisiert werden können, von früher 250nm auf inzwischen 32nm korrigiert, jedoch dürfte eine weitere Veränderung dieser Grenze nach unten fast ausgeschlossen bzw. falls erreichbar dann zumindest nicht wirtschaftlich sein. Außerdem zeigen sich bereits deutliche Schwierigkeiten in den Bemühungen zumindest die 32nm Technik mit optischer Lithographie zu erreichen. Alternativen sind die EUV-Lithographie (Extreme UV) oder die Imprinttechnologie (Abdruckverfahren). B6.1-3

4 Lichtquellen Je kleiner die Wellenlänge umso kleiner die Strukturen Spektrum der elektromagnetischen Wellen Hg EUV DUV Hg-Dampflampe: g-linie: h-linie: i-linie: 435 nm 405 nm 365 nm Excimer Laser (DUV): KrF: 248 nm ArF: 193 nm F 2 : 157 nm? Next Generation Litho EUV: 13,5 nm Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-4 Um noch kleinere Strukturen abbilden zu können, musste eine neue Lichtquelle mit noch kürzeren Wellenlängen entwickelt werden, der Excimer-Laser. Der Gaslaser erzeugt monochromatisches Licht, dessen Wellenlänge von der Gasfüllung abhängt. Da diese bereits im tiefen UV Bereich liegen fasst man diese Art der Belichtung zu dem Überbegriff DUV (deep UV) zusammen. Die nächste Generation ist dann die EUV-Belichtung (extreme UV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm. B6.1-4

5 Beugung Wasserwelle: Beugung am Spalt Definition: Güte Q = W 2 λg λ: Wellenlänge W: Spaltbreite g: Abstand Maske-Substrat Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-5 Trifft eine ebene Welle (hier eine Wasserwellle) auf eine schmale Öffnung in der Größenordnung der Wellenlänge (Abstand Wellenberg zu Wellenberg) so läuft die Welle hinter der Öffnung nicht mehr geradlinig weiter, sondern wird gebeugt. Dies bedeutet, dass auch im abgeschatteten Bereich eine Welle entsteht. Die Welle läuft um die Kurve. Dies gilt für alle Wellen, also auch Lichtwellen. Die Wellenhöhe ist in der Mitte am größten und nimmt zum Rand hin ab. B6.1-5

6 Auflösung Airy-Ringe ,22λf/D Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-6 Die physikalischen Effekte der Beugung des Lichts und der Interferenz bewirken, dass die Intensität nach der Maskenöffnung eine glockenförmige Verteilung mit mehreren Nebenmaxima aufweist. Es entstehen dadurch sogar helle Bereiche in eigentlichen Schattenbereich der Maske. Diese Verteilung wird mit einem optischen Abbildungssystem (Linsen) auf das Substrat übertragen. In dem gezeigten Beispiel wird aus einem kreisförmigen Loch ein Loch mit mehreren konzentrischen Ringen abgebildet (Airy-Scheiben). B6.1-6

7 Auflösung Photolack falsch ok belichtet belichtet unbelichtet α klein α groß kleinste Struktur: λ f λ amin = k1 = k1 R NA k 1 0,4 PL, RET Ziel: 0,25 Numerische Apertur: NA R / f NA 0,85 Optik Ziel: > 1,2 λ mit Immersion Tiefenschärfebereich: DOF = ± k 2 NA 2 Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-7 Betrachtet man zwei Bildpunkte, die den Abstand a aufweisen, so ergeben sich zwei überlappende Airy-Scheiben. Die kleinste Struktur auf der Maske a min, die noch scharf abgebildet werden kann hängt von der Wellenlänge λ (Farbe) des Lichts ab. Ein kleines λ (blau bis ultraviolett) ergibt ein gute Auflösung. Die zweite wichtige Größe ist die numerische Apertur NA. Sie ist eine technische Begrenzung, während die Wellenlänge ein physikalisches Limit darstellt. Leider nimmt mit der Verbesserung der lateralen Auflösung auch die Tiefenschärfe der Abbildung (DOF) ab. Dies hat folgende Konsequenz: mit besserer lateraler Auflösung nimmt die Tiefenschärfe drastisch ab, d.h., dass die Reduktion der Wellenlänge noch bessere Planarisierungsverfahren für die Photolithographie verlangt. B6.1-7

8 Justierung Justiersystem: Laser Interferometrie Justierstruktur 110 nm Technologie: Verschieben um 22 mm in 0,2 sec: Justieren auf 20 nm oder aus ca. 400 km/h nach 2,2 km auf 2 mm genau stoppen Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-8 Die Justiergenauigkeit beträgt etwa ein Drittel der lateralen Strukturgröße, die Messgenauigkeit etwa ein Drittel der Justiergenauigkeit. Mechanisch wird die Justierung über Linearmotoren und Piezosteller erreicht. Die Kontrolle erfolgt optisch über interferometrische Methoden. Die Justierung aufeinander folgender Maskenebenen (Lagefehler) stellt ein Problem dar, da die optische Schärfe von Kanten für verschiedene Materialien nicht identisch ist. Durch geeignete Justierstrukturen mit einer Skaleneinteilung lassen sich Justierabweichungen erkennen. Außerdem muss durch ein geeignetes Design dafür gesorgt werden, dass im Bereich der Justierstruktur Schichten mit einem guten optischen Kontrastverhältnis übereinander liegen. B6.1-8

9 Stand der Technik Twinscan AT 400 Twinscan AT 850C Twinscan AT 1200 B Wavelength [nm] 365 (i-line) 248 (KrF) 193 (ArF) Resolution [nm] Reduction 4:1 4:1 4:1 Fieldsize [mm] 26 x x x 33 Num. Apertur NA 0,48-0,65 0,55-0,80 0,6-0,85 Alignment [nm] rel. Alignment 9 % 13,6% 15% Wafer [mm] Throughput [wph] Quelle: ASML Prof. Dr. H. Baumgärtner B6.1-9 Die Daten einiger Projektionsmaschinen sind in der Tabelle zusammengestellt. B6.1-9

10 RET Resolution Enhancement Techniques Year Technology node (nm) Wavelength (nm) i (157) 193i (157) 193i (EUV) Reticle convent. PSM PSM OPC OAI PSM OPC OAI PSM OPC OAI DPT DPT PSM = Phase Shift Mask; OAI = Off Axis Illumination OPC = Optical Proximity Correction DPT = Double Patterning Technology k 1 193i = mit Immersion EUV = Extreme UV λ k NA NA λ Prof. Dr. H. Baumgärtner B a min = 1 Soll die erzielbare Auflösung unterhalb der Wellenlänge der verwendeten Belichtungsquelle liegen, so müssen technische Korrekturen auf der Maske oder bei der Abbildung eingeführt werden. Nur mit diesen sehr aufwendigen und teuren Maßnahmen lässt sich das durch die Physik vorgegebene Beugungslimit unterschreiten. Die Maskenpreise steigen damit jedoch dramatisch an. B6.1-10

11 RET Übersicht Wavefront Engineering Scanning Projection Phase Shift Mask PSM Off - Axis Illumination OAI Optical Proximity Correction OPC Immersion Lithographie Double Patterning Technology 157 nm Excimer Prof. Dr. H. Baumgärtner B B6.1-11

12 Phase Shift Mask Prinzip n 1 n 2 n = 1 E E 0 λ 2 λ = n 0 2 Quelle: K. Nakamura, "ULSI - Technology" in C.Y. Chang, S.M. Sze (Eds.), McGraw-Hill, New York 1996 Prof. Dr. H. Baumgärtner B Die Verwendung von Phasenshiftmasken verbessert die Auflösung und bietet sich vor allem bei periodischen Strukturen, wie z.b. DRAMs an. Das Problem ist aber der hohe Preis für die Masken. Durch die Beugung überlagern sicht die Intensitäten von zwei benachbarten Linien, was in der Abbildung auf dem Wafer zu nicht mehr unterscheidbaren Strukturen führt. Durch den zusätzlichen Phasenschieber auf einer der beiden Linien wird die Amplidude der Lichtwelle um 180 gedreht, so dass sie sich mit der Amplidude der anderen Linie gerade auslöscht. Dadurch kommt es auf dem Wafer wieder zur Abbildung von zwei getrennten Linien. B6.1-13

13 Phase Shift Mask Probleme: Masken Layout (periodisches Layout) Maskenherstellung (teuer): 90 nm Technologie (CMOS): 1,5 Mio. / Satz 45 nm Technologie (CMOS): 3,0 Mio. / Satz Dosis fest an Maske gekoppelt (keine Optimierung der Belichtung ohne neue Maske) Prof. Dr. H. Baumgärtner B Für einen CMOS-Maskensatz muss für eine 90 nm Technologie ca. 1,5 Mio veranschlagt werden, für eine 45 nm Technologie bereits das Doppelte. Die durchschnittliche Lebensdauer eines Maskensatzes beträgt nur noch Wafer. B6.1-16

14 OPC Problem: Beugung beeinflusst benachbarte Linien Linienbreite hängt ab vom Abstand der Linien Lösung: Optical Proximity Correction Zusätzliche Strukturen (Serifen, Scatter bars) zur Korrektur hoher Aufwand Prof. Dr. H. Baumgärtner B Die Abbildung für hoch auflösende Lithographiesysteme wird - wie gezeigt stark von Beugungseffekten beeinflusst, d.h. dass Linien, wenn sie nahe beisammen liegen (dense lines) mit Nachbarstrukturen wechselwirken. Die resultierende Breite für 240 nm Linien ist in der Abbildung gezeigt. Die Linienbreiten müssen deshalb bei OPC (Optical proximity Correction) individuell je nach Lage angepasst werden. Durch kleine Zusatzstrukturen auf dem Reticle (Serifen) können Ecken kompensiert werden, während zusätzliche Linien (scatter bars) in der Nähe von isolierten Linien eine dense Umgebung erzeugen. Die Hilfsstrukturen sind so schmal, dass sie unterhalb der Auflösungsgrenze der Projektionsoptik liegen und deshalb im Wesentlichen Streulicht erzeugen. B6.1-19

15 Pixelated Mask Techn. Prinzip: "Computational Lithography" Korrektur mit der inversen Übertragungsfunktion Quelle: Intel, Solid State Technology 2007 Intel: first test 2006 not used for 65, 45 nm Option for 22 nm, if EUV, DPT delay full-chip simulation: 10 6 CPU hrs = 114 Jahre k 1 = 0,29 Prof. Dr. H. Baumgärtner B B6.1-20

16 kleinste Struktur: Immersion 193 nm a min λ = k 1 NA Numerische Apertur NA = n sin( α ) Physikalisches Limit: NA = 1 für Luft praktisch =0,93 n Brechungsindex Zwischenraum Luft: n 0 = 1 Ultrapure DI Wasser: n W = 1,47 NA 0 0,93 NA im n W /n 0 NA 0 1,35 k 1 0,25 a min = 52 nm a min = 52 nm 0,93/1,35 = 36 nm Prof. Dr. H. Baumgärtner B Da die Auflösung direkt proportional zur Brechzahl ist, wurde die Immersionstechnik entwickelt, bei der die Brechzahl durch Einbringung einer Flüssigkeit zwischen Objekt und Linse vergrößert wird (z.b. Wasser). Dadurch vergrößert sich die Numerische Apertur und die Auflösung kann verbessert werden. Nachteil: Mit zunehmender Auflösung nimmt die Tiefenschärfe (DOF = Deph of Focus) ab. Um die Problematik der abnehmenden Tiefenschärfe zu lösen, muss die Planarisierung der Oberflächen verbessert werden. B6.1-21

17 Immersionslithographie Herausforderungen: Defektdichte Temperatur n = f(t) Durchsatz Prof. Dr. H. Baumgärtner B Es entstehen neue technische Probleme bei der Realisierung, da die Brechzahlen der Medien eine Funktion der Temperatur sind und sich entgegen ersten Schätzungen, der Einfluss der Temperatur auch bei diesen kurzen Belichtungszeiten nicht vernachlässigen lässt. Außerdem unterscheidet sich die Brechzahl temperaturbedingt auch innerhalb der jeweilig eingesetzten Flüssigkeit. Durch Aufbringen einer Flüssigkeit auf den Wafer, wird das Risiko erhöht, diesen durch Partikel zu Verunreinigen. B6.1-22

18 Trend Imm.-Litho Brechungsindex Absorbtionskoeffizient Prof. Dr. H. Baumgärtner B B6.1-23

19 Double patterning Techn. Half pitch PL HM Layer 1. Etch HM 2. PL DPT klassisch Genauigkeit! 2. Exposure 2. Etch HM Etch Layer Result Prof. Dr. H. Baumgärtner B Bei dieser Technik wird die technische Auflösung der Geräte im eigentlichen Sinne nicht verändert. Stattdessen wird die Belichtung örtlich versetzt auf dem Wafer wiederholt. Das bedeutet, dass nachdem die ersten Strukturen durch optische Lithographie erzeugt wurden, erneut Fotolack auf den Wafer aufgebracht wird. Anschließend wird eine Maske so ausgerichtet, dass bei der anschließenden Belichtung die neu erzeugten Strukturen in den ungenutzten Zwischenräumen der im ersten Durchgang erzeugten Strukturen entstehen. Vorteil: - Die Auflösung der erzeugten Strukturen kann vergrößert werden, ohne dass die technische Auflösung der Geräte verändert wird. Nachteil: - Der Durchsatz nimmt ab, da bestimmte Schritte in der Waferbearbeitung zweimal durchgeführt werden müssen. - Das Erzeugen von Strukturen zwischen bereits existierenden Strukturen erfordert eine sehr hohe Genauigkeit in der Ausrichtbarkeit/Justierbarkeit der eingesetzten Geräte. B6.1-24

20 Double patterning Techn. Herausforderungen: Überlapp Genauigkeit Durchsatz Kosten für 2. Maske Zwischenlösung für Übergang zu EUV Prof. Dr. H. Baumgärtner B B6.1-25

21 157 nm Lithographie Stepper: O 2 frei N 2 Spülung Quelle: Lambda Physik Quelle: Energiedichte: 1999: 600 Hz, 6W 2001: 2000 Hz, 20W Bandbreite: 1999: 2 pm? < 0,1 pm Optik: Silikatglas:nicht geeignet wg. Absorption durch eingebaute OH- Gruppen (Transmission zu klein) CaF 2 : Probleme: Einkristallzüchtung hoher Reinheit Einkristall Bruchgefahr hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient: ca. 36 x Silikatglas weicher als Silikatglas Polierspuren teuer: $ / kg Prof. Dr. H. Baumgärtner B CaF 2 := CalciumFluorid Die 157nm-Litho erfordert eine N 2 -Spülung oder Evakuieren der Anlage, da Licht dieser Wellenlänge den vorhandenen Sauerstoff nicht durchdringen kann Energieverlust. Außerdem hat man noch sehr wenig Erfahrung im Umgang mit diesem Material. B6.1-26

22 Maskenkosten Lebenszeit: ca Wafer Prof. Dr. H. Baumgärtner B B6.1-30

23 Tool Price Prof. Dr. H. Baumgärtner B B6.1-31