Longitud de onda utilizada en la fabricación de circuitos integrados (IC)

Es cierto que la litografía más antigua usaba un enfoque más simple con una fuente de luz y una máscara, pero como notará, hoy en día se pueden grabar en el CI estructuras mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz que ilumina.

Hay una gran cantidad de técnicas involucradas para mejorar esto, y solo soy un observador interesado en esto, pero diría que las máscaras de cambio de fase (PSM), donde las propiedades de onda de la luz se usan para nosotros en lugar de contra nosotros, es lo que responde mejor a su pregunta y contexto.

Si diseña una máscara, no solo como una silueta de lo que está tratando de grabar, sino con, por ejemplo, grosores transparentes variables, puede modular la interferencia de onda de la luz que pasa a través de ella y crear estructuras mucho más nítidas en el grabado. de lo que podrías haber hecho al usarlo como una simple máscara de sombra.

En la siguiente ilustración, la imagen más a la izquierda muestra lo que se obtiene con una máscara de sombra simple, y las otras tres imágenes muestran varias técnicas de PSM en las que la interferencia de onda de la luz transmitida crea detalles más nítidos en el grabado.

Este artículo de revisión resume muchas de las técnicas de PSM y tiene algunas buenas ilustraciones y fotos de microscopio electrónico.

Además, la combinación de arreglos inteligentes de fotoprotectores, exposiciones múltiples y técnicas de grabado permiten resoluciones aún más altas de los patrones finales. Como un ejemplo muy simple, si diseña un proceso de fotoprotección que produce líneas en el objetivo para picos profundamente expuestos y no expuestos, obtiene dos líneas reales de la mitad del ancho por cada banda oscura/clara que transmite su máscara. Hay muchas ilustraciones de esto en la página de Wikipedia para patrones múltiples .

Tenga en cuenta que ya no es un procedimiento general en el que el diseñador puede simplemente diseñar un patrón que es más pequeño y grabarlo perfectamente utilizando el PSM, la corrección de proximidad óptica (OPC) y otros métodos. El precio que paga por obtener características más pequeñas es un conjunto de reglas y un proceso de diseño mucho más complicados en el patrón. Supongo que los beneficios se aprovechan mejor en estructuras muy repetidas, donde un pequeño patrón puede superoptimizarse para esto, como en los chips de memoria. La memoria flash (almacenamiento para SSD , tarjetas SD, etc.) es una de las primeras categorías de circuitos integrados que siempre se reduce el proceso nuevo y actualizado.

Bueno, este fue un resumen extremadamente breve de un campo de investigación y desarrollo multimillonario :)

No se pueden modelar estructuras de medio paso de 22 nanómetros con un paso a paso de inmersión de apertura numérica de 1,35 con luz láser UV de 193 nanómetros. El patrón tiene que pasar por la óptica del paso a paso, por lo tanto$A_\pm(x):=\exp(\pm 2\pi i\frac{NA}{\lambda}x)$son los modos de la frecuencia espacial más alta posible en la dirección x en la distribución de amplitud, y$|A_+-A_-|^2=|A_+|^2+|A_-|^2-2\Re(A_+A_-^*)=2-2\Re(\exp(2\pi i\frac{2NA}{\lambda}x))=2-2\cos(2\pi \frac{2NA}{\lambda}x)$es una distribución de intensidad con la mayor frecuencia espacial posible en la dirección x. Entonces, el tono más pequeño posible de una estructura periódica es$\frac{\lambda}{2NA}=193 \text{ nanometer}/(2*1.35)=72 \text{ nanometer}$.

Incluso lograr este límite físico será un desafío, pero una combinación de tecnología de máscara de cambio de fase, técnica de iluminación oblicua y corrección de proximidad óptica contra un proceso calibrado estable que incluye la fotorresistencia amplificada químicamente podría acercarlo, siempre que solo tenga 1D x orientado. Estructuras de líneas y espacios. Si tiene verdaderas estructuras 2D, o líneas y espacios orientados tanto en x como en y, ni siquiera se atreva a soñar que se acercará a este límite.

Solo haga una pausa por un momento para sentir la desconexión entre un paso de 72 nanómetros y una estructura de 22 nanómetros. Bien, se suponía que los 22 nanómetros eran el medio paso, así que estamos hablando de una estructura periódica con un paso de 44 nanómetros aquí. Pero esto todavía deja una gran brecha entre un límite de paso teórico de 72 nanómetros y un paso "reclamado" de 44 nanómetros. Aquí entra en juego el infame patrón doble , que le permite reducir a la mitad el límite de tono físico, a expensas de múltiples exposiciones y pasos adicionales de procesamiento químico. Ya que$72 / 2 = 36 < 44$, la "tarea solicitada" al menos ya no es estrictamente imposible.

Sin embargo, el patrón doble es realmente costoso, porque agrega varios pasos de procesamiento adicionales y necesita varias máscaras. Y si su proceso de diseño no cumple con un proceso de patrón doble autoalineado, entonces tiene requisitos de alineación extremadamente altos. Entonces, incluso si usa patrones dobles, desea limitar la cantidad de capas que necesitan patrones dobles al mínimo absoluto.

Aquí es donde más se agradece la ayuda del departamento de marketing. Aun así, dice "El medio paso típico (es decir, la mitad de la distancia entre características idénticas en una matriz) para una celda de memoria que usa el proceso es de alrededor de 22 nm" en el artículo de 22 nanómetros de wikipedia , todavía recuerdo la primera vez que vi un diseño real para una capa de "metal 1" de un cierto nodo. Volví a preguntar si me dieron por error un diseño de un nodo anterior, porque todas las estructuras eran muy "grandes" en comparación con lo que esperaba según el nombre del nodo. Entonces alguien me dijo que los 90 nanómetrosnode fue el último en el que el nombre todavía significaba "medio paso" para una celda de memoria, y que los nombres de los nodos se dividen por 1,4 cada dos años, independientemente de los tamaños reales de la estructura y los pasos de las celdas de memoria. Y dado que estamos atascados en una longitud de onda de 193 nm desde hace bastante tiempo...

Más importante que los tamaños reales de la estructura es que el precio por transistor se reduce a la mitad cada dos años. Pero incluso esto probablemente haya terminado ahora, vea la reacción de la audiencia cuando Chris Mack anunció que la ley de Moore terminó en SPIE 2014 .

A pesar de que hay buenas presentaciones sobre patrones múltiples y tecnologías de máscaras de cambio de fase, el papel de la fotoprotección amplificada químicamente no debe subestimarse. El truco aquí es usar la luz para producir un ácido, que actúa como catalizador. El fotoprotector se carga con una base, que neutraliza directamente cualquier ácido producido, siempre que la cantidad de ácido no exceda el nivel de carga de la base. Esto le da a la fotoprotección una especie de umbral de comportamiento para convertir las distribuciones de intensidad en perfiles de resistencia.

Pero la fotorresistencia química amplificada es un desafío para la corrección de proximidad óptica, porque un modelado más o menos "correcto" requeriría resolver una ecuación acoplada de reacción-difusión como

$\frac{\partial}{\partial t}a=D_a\frac{\partial^2}{\partial x^2}a-k_n ab$

$\frac{\partial}{\partial t}b=D_b\frac{\partial^2}{\partial x^2}b-k_n ab$

$\frac{\partial}{\partial t}c = a$

Esta ecuación es fácil de resolver "correctamente" para un área pequeña, pero es demasiado costoso hacer este "chip completo". Entonces, en lugar de un modelo fotorresistente "correcto", se utilizan modelos empíricos con muchos parámetros de ajuste, que se calibran con los datos medidos del proceso real. La corrección de proximidad óptica es un proceso extremadamente costoso desde el punto de vista computacional para los chips actuales. Los clústeres de cómputo de muchos cientos de nodos que funcionan durante más de medio día para una sola capa son estándar y, si no tiene cuidado, puede bloquear fácilmente un clúster de cómputo durante varios días.

Las tecnologías de patrones alternativos (litografía de 157 nanómetros, litografía EUV, nanoimpresión, escritura directa de haz electrónico, ...) son desarrolladas por diferentes partes con la esperanza de reemplazar la litografía de inmersión de 193 nanómetros en algún momento, pero a menudo se eliminan justo en el momento en que el la fase de investigación se termina con éxito, y ...

En el segmento de escritura directa multihaz, múltiples fuentes indican que KLA-Tencor está saliendo de este mercado. Los funcionarios de KLA-Tencor se negaron a comentar.

[...]

Mientras tanto, KLA-Tencor ha estado desarrollando la litografía por haz de electrones reflectantes (REBL), que originalmente fue financiada por DARPA. De hecho, DARPA invirtió más de $100 millones en fondos para el programa REBL.

KLA-Tencor pudo desarrollar una herramienta alfa, basada en el concepto REBL. En la reciente conferencia SPIE, la compañía reportó algunos resultados impresionantes. La clave de la tecnología es un módulo generador de patrones digitales basado en CMOS, que permite más de 1 millón de haces a plena corriente. Los informes de su salida de este mercado dejan en duda sus esfuerzos de desarrollo.