Lithography limitations José Luis González Jiménez

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1 Lithography limitations José Luis González Jiménez High Performance Integrated Circuits Design Group TOPIC 4.3 Undesrtanding the Limits of Semiconductor Technology Doctoral Course Departamento de Ingeniería Electrónica Universitat Politècnica de Catalunya 1de Requerimientos de la litografía TECNOLOGÍA ACTUAL: transferencia óptica de patrones por proyección a través de una máscara con un factor de reducción:, Harriott, L.R. Proceedings of the IEEE, Volume: 89 Issue: 3, March 2001, Page(s): , pdf 136 KB 2de 22

2 1. Requerimientos de la litografía PARÁMETRO DE REFERENCIA: DIMENSIÓN CRÍTICA (CD) Resolución (=CD) Control (precisión) de CD (±10% CD) Precisión en la alineación entre máscaras (1/3 CD) (Overaly) Throughput: número de wafers por unidad de tiempo (productividad) Sistema de impresión por proyección óptica (límite de Rayleigh): Resolucion = λ k1 NA k 1 : parámetro dependiente del proceso (de la fotoresina): 0,4.. 0,8 NA: apertura numérica del sistema óptico: 0,5.. 0,9 Factor de reducción (de la máscara a la imagen sobre la oblea) x4.. x5, Harriott, L.R. Proceedings of the IEEE, Volume: 89 Issue: 3, March 2001, Page(s): , pdf 136 KB 3de Requerimientos de la litografía 4de 22

3 1. Requerimientos de la litografía: Disponibilidad de fuentes de luz, Harriott, L.R. Proceedings of the IEEE, Volume: 89 Issue: 3, March 2001, Page(s): , pdf 136 KB 5de Requerimientos de la litografía: Disponibilidad de fuentes de luz Fuente de 193 nm: láseres excimieros de ArF Fuente de 157 nm: láseres excimeros de F 2 : todavía en desarrollo 6de 22

4 1. Requerimientos de la litografía: Apertura numérica para el aire 7de Requerimientos de la litografía: k 1 8de 22

5 1. Requerimientos de la litografía: Límite fotolitografía óptica aire k 1 > 0.25 NA < 9.93 λ = 193 nm W = 52 nm 0.93 Este tipo de fotolitografía puede extenderse hasta el nodo de 65 nm (2007), Pero no es posible aplicarlo en el siguiente de 45 nm. 9de Requerimientos de la litografía 10 de 22

6 Requerimientos de la litografía 11 de Requerimientos de la litografía 2001 ITRS report, Web page 12 de 22

7 1.Requerimientos de la litografía Alternativas propuestas por el ITRS 2001 EUV-extreme ultraviolet EPL-electron projection ML2-maskless lithogr. IPL-ion projection PXL-proximity x-ray PEL-proximity electron 2001 ITRS report, Web page 13 de 22 1.Requerimientos de la litografía Alternativas propuestas por el ITRS 2004 RET-resolution enhancement EUV-extreme ultraviolet EPL-electron projection ML2-maskless lithogr. IPL-ion projection PXL-proximity x-ray PEL-proximity electron 2003 ITRS report, Web page 14 de 22

8 2. Mejoras de la resolución de sistemas ópticos Permiten extender la resolución hasta un límite λ/2 PREDISTORSIÓN DE LAS MÁSCARAS (optical próximity effects, OPC) MÁSCARAS CON DESPLAZAMIENTO DE FASE (phase-shift mask, PSM) MATERIALES FOTOSENSIBLES CON CONTRASTE MEJORADO (k 1 < 0,5) FOTOLITOGRAFÍA DE INMERSIÓN (NA > 1) Problemática de trabajar con resoluciones por debajo de λ: AMPLIFICACIÓN DE LOS ERRORES DE LAS MÁSCARAS (mask error enhancement factor, MEEF), Harriott, L.R. Proceedings of the IEEE, Volume: 89 Issue: 3, March 2001, Page(s): , pdf 136 KB 15 de Mejoras de la resolucíón de sistemas ópticos optical próximity corrections, OPC, Harriott, L.R. Proceedings of the IEEE, Volume: 89 Issue: 3, March 2001, Page(s): , pdf 136 KB 16 de 22

9 2. Mejoras de la resolucíón de sistemas ópticos Phase-shift mask, PSM 17 de Alternativas fotolitografía Litografía óptica con la línea de 157 nm (resolución ~ 100 nm o quizás ~ 70 nm) No existen fotoresinas todavía para esta longitud de onda Coste y complejidad elevado de las máscaras (OPC, PSM) Immersion lithograpy (35 nm < resolución < 50 nm, with 193 nm line) Aumento del parámetro NA gracias a coef. de refracción > 1 Problemática de sumergir todo el sistema del steper en líquidos. Dependencia de coef. de refracción con la temperatura Electron Projection Lithography (EPL) (resolución < 50 nm) Throughput bajo Necesidad de máscaras en las técnicas viables (SCALPEL) Extreme Ultraviolete Lithography (EUV) (longitud de onda nm) Sistema óptico por reflexión (sin lentes, con espejos) Coste elevado de los equipos ópticos debido a la perfección exigida a los espejos Otras técnicas utilizadas para nanolitografía: Nanoimprinting (resolución ~ 10 nm) Matrices SPM ( puntas) Escritura directa de haz múltiple e-beam (resolución ~ 4 nm). 18 de 22

10 3. Alternativas fotolitografía IMMERSION LITHOGRAPHY Ultra-pure water: n = 1.47 absorption < 5% 19 de Alternativas fotolitografía SCALPEL ESTRUCTURA CONCEPTO SCALPEL project web page at Bell Labs 20 de 22

11 3. Alternativas fotolitografía EUV CONCEPTO Report about EUV status web page at Science & Technology Review 21 de Alternativas fotolitografía Nanoimprinting Lithography beyond light: Microcontact printing with monolayer resists, H. A. Biebuyck, N. B. Larsen, E. Delamarche, and B. Michel, IBM Journal of Research & Development, Vol. 47, No. 1/1, 1997, html version 22 de 22

12 4. Costes de la fotolitografía Dominaba clásicamente Domina actulamente debido a las técnicas de PSM y OCP Coste Coste herramienta Coste mascara = + + Coste proceso nivel throughput uso Valores típicos de uso: DRAM: obleas/máscara MPU: 1500 obleas/máscara ASIC/SOC: <500 obleas/máscara 23 de Costes de la fotolitografía A Brief Overview of SRC/ DARPA s University Research Initiative in Maskless Lithography, Maskless Lithography Workshop, Pasedena, CA, August 28, 2001, Daniel Herr, Semiconductor Research Corporation, pdf 688 KB 24 de 22

13 4. Costes de la fotolitografía 25 de Costes de la fotolitografía 26 de 22

14 5. CONCLUSIONES Además de la resolución (CD) es necesario conseguir reducciones en el control de CD (precisión) y en el alineamiento (sin solución conocida a partir del ) Para transitores < 50 nm el control de la CD requerido pasa a ser ±5% CD: imposible de conseguir con tecnicas no lineales que usen máscaras (e-beam) y sin usar reducción (nanoimprinting) Para transistores < 30 nm el tamaño molecular de la fotoresina será mayor que el requerimiento de control de la CD. No existen soluciones conocidas ni anticipadas para tranferir patrones de alta resolución para dimensiones < 30 nm El límite puede ser anterior debido a que las alternativas que permitan llegar a los 30 nm no sean económicamente viables o no permitan asegurar el requerimento de control de la CD (precisión). Todo depende de si el incremento en el nivel de integración es superior o no al incremento del coste de proceso por unidad de área., Harriott, L.R. Proceedings of the IEEE, Volume: 89 Issue: 3, March 2001, Page(s): , pdf 136 KB 27 de 22

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