eng
Выпуск #1/2010
В.Анчуткин, А.Бельский, О Гущин.
EUV-нанолитография. Проблемы и перспективы развития
EUV-нанолитография. Проблемы и перспективы развития
Просмотры: 4671
В микроэлектронике самой перспективной технологией создания элементов размером 16–22 нм считают литографию, работающую в предельном УФ-диапазоне на длине волны 13,5 нм. Ее называют EUV-нанолитографией (extreme ultraviolet). Предложена концепция создания отечественного EUV-наносканера с шести зеркальным проекционным объективом с числовой апертурой NA≥0,3. Подчеркнута доминирующая роль в выборе технологии показателя СОО (cost of ownership).
Несомненно, в современном микроэлектронном производстве ключевым технологическим звеном является литография. Она определяет контуры деталей элементов микросхемы, плазменные процессы и имплантацию, используемые в изготовлении этих элементов (примерно 60–70% всех процессов в маршруте изготовления кремниевых интегральных схем). Основные мировые разработчики и производители оборудования для EUV-нанолитографии – EUV-наносканеров (рис.1), являются фирмы ASML (Нидерланды) и Nikon (Япония). Ведущие фирмы-производители электронной техники, используя это литографическое оборудование, уже освоили серийный выпуск СБИС для устройств памяти с технологическим уровнем (минимальный размер элементов) 30 нм [1–4] и 40 нм для логических устройств [5]. В планах корпорации Intel освоить 32-нм норму в 2009–2010 годы. Интенсивные исследования приближают литографические технологии к промышленному производству СБИС уровня 28 нм [6, 7]. На рис. 2 приведена дорожная карта фирмы ASML по созданию EUV-наносканеров. Ввод технологии уровня 16–22 нм и менее ожидается в 2016–2017 годы, а по оптимистическим прогнозам Samsung Electronics – до 2015 года.
В России современные микроэлектронные производства работают в основном на базе импортных технологических линий. Компания «Ситроникс» создала производство уровня 180–130 нм, а с 2010 года развернет производственную линию по технологии 90 нм. Суммарная стоимость проекта составит порядка 16,5 млрд. руб. с распределением: ГК «Роснано» – 6,5 млрд. руб; «Ситроникс» – 6,5 млрд. руб (стоимость оборудования и инфраструктуры) и оставшаяся часть, 3,5 млрд.руб, – заемные средства. На правительственном уровне обсуждали выделение 1,09 млрд. долл. на создание (в Зеленограде) нового производства на пластинах 300 мм с лицензированными технологиями 65 и 45 нм (IBM, Intel или STMicroelectronics) для цифрового телевидения и глобальной системы позиционирования ГЛОНАСС. По предварительной договоренности «Ситроникс» дополнительно вложит в это производство внебюджетные средства – 1,28 млрд. долл. ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) в свою очередь планирует создать технологическую линейку для производства чипов с нормами 130 нм (по технологии AMD) под кредит ВТБ на сумму около 800 млн. долл.
Практически с этих технологических норм и с этих средств начинается новый этап в развитии отечественной микроэлектроники. Импортирование в Россию оборудования и технологий позволит сократить отставание от ведущих в мире производителей микроэлектронных изделий, но не догнать их, так как новейшие поставки электронных технологий и оборудования запрещены для экспорта Конгрессом США. Для ликвидации технологического отставания необходимо создать собственные производства уровня 32–16 нм. И для этого в России появились реальные предпосылки. А научно-промышленные центры России уже имеют солидный задел по EUV-литографии и плазменным процессам, созданы образцы технологического оборудования.
В рамках российских и европейских научных программ в Институте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) получены значительные научно-практические результаты в области EUV-литографии на λ=13,5 нм для реализации наноструктур с минимальными размерами 22 нм и ниже [6–14]. Работы выполнены с участием ASML, Института спектроскопии РАН (ИС РАН) и ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (ТРИНИТИ). В Троицке разрабатывают источник излучения для EUV-литографии на основе разряда в парах олова, инициируемого лазером, между вращающимися дисковыми электродами (discharge-produced plasma – DPP) [15–17]. Заметим, что фирма Cymer (Сан-Диего, США) поставляет фирме ASML EUV-источник на базе плазмы, создаваемой лазерным излучением, сфокусированным на капельках олова (laser-produced plasma –LPP). При этом ее интерес к разработкам DPP-источников фирмы Philips Xtreme (Йена, Германия) не ослабевает [18].
В ФТИАН проводятся работы по исследованию процессов травления и осаждения в плазме элементов топологии нанометрового диапазона. Современные реакторы высокоплотной плазмы обеспечивают на пластинах диаметром 200 мм однородность получаемых элементов и их селективность по размерам. Разрабатываются также методы контроля плазмохимических процессов, основанные на оригинальных зондовых методиках [19]. Определенный научный задел в разработке проекционных объективов и отдельных элементов EUV-нанолитографа имеется и в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ РАН) [20]. ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» совместно с концерном «Планар» (г. Минск) при участии ГОИ им. Вавилова и ЦФП ИОФ РАН в 2004–2006 годах экспериментально отработали основные функциональные узлы и блоки установки проекционного экспонирования и мультипликации для технологического уровня 180–250 нм. В конце 2008г. ОАО «НИИМЭ и Микрон» совместно с НИИ СИ РАН, ИФМ РАН и ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева» приняли решение о совместном участии в реализации проекта нанолитографии экстремального ультрафиолета. Он предусматривают кооперацию предприятий РФ (см.таблицу):
* от Министерства образования и науки: МГУ имени М.В. Ломоносова и МИЭТ; от Российской академии наук: Физико-технологический институт (ФТИАН), Институт физики микроструктур (ИФМ РАН), Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ РАН), Институт радиотехники и электроники (ИРЭ РАН), Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (ИПТМ РАН), Институт спектроскопии РАН (ИС РАН), Всероссийский Научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ);
* от промышленности: ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ФГУП НПК «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова», Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения (ФГУП НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»), ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИТМ», ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» и др., а также от Белоруссии – концерн «Планар».
Не исключена кооперация и с некоторыми зарубежными фирмами для сокращения времени реализации проекта и оптимизации научно-производственных и сырьевых ресурсов. При этом актуально создание отечественного DUV-наносканера на базе линзового и зеркально-линзового проекционных объективов (ПО) (рис.3) для вариантов «сухой» и иммерсионной 193-нм литографии (рис.4), соответственно. При оценке технико-экономических показателей и параметров наносканера их технические характеристики являются определяющими. Для иммерсионной литографии в качестве жидкости ныне используется деионизированная вода*).
Известно, что критерий Релея определяет теоретический предел разрешения оптических систем (для тест-объекта в виде периодической структуры). Он определяет разрешение или минимальный размер (W) элемента структуры, который может быть реализован в слое фоторезиста на полупроводниковой пластине при использовании ПО с числовой апертурой (NA) на рабочей длине волны излучения λ согласно выражению: W=k1⋅λ/NA. Где W – это общий критерий оценки уровня технологии производства СБИС, численно он равен половине расстояния между ячейками DRAM микросхемы или половине шага (HP – half pitch) плотной линейчатой структуры (иногда DRAM half pitch) [21]. Технологичность метода проекционной фотолитографии, в первом приближении, определяется значением параметра k1. Этот комплексный параметр зависит от качества (чувствительности) фоторезиста и вариации технологии улучшения разрешения (RET-resolution enchancement technology). В случае однократной экспозиции ее определяет тип освещения фотошаблона и его структура. Согласно теории дифракции минимальное значение k1=0,25. Но при этом не ясно, возможно ли реализовать в промышленных масштабах такой технологический процесс.
В иммерсионной литографии, если принять для воды показатель преломления n=1,45, максимально достижимое значение синуса половинного угла 0,95. Тогда получаем NA=1,38 и k1=0,25. А предел разрешения W~35 нм. Сравним: в случае EUV-литографии λ=13,5нм такой предел разрешения может быть достигнут для значений NA~0,25 и k1=0,59. Создание зеркально-линзового ПО требует разработки и внедрения современных технологий изготовления и контроля его зеркальных компонентов. Часть из них может быть использована и в качестве подложек для EUV-зеркал, представляющих собой «Брэгговские» покрытия из 9–11 чередующихся Mо/Si мультислоев.
Другим критерием, определяющим потенциальные возможности технологии в масштабах промышленного производства, является производительность, или количество отработанных в час полупроводниковых пластин (диаметры: 150, 200 или 300 мм) при заданном размере чипа (типичные размеры: 22×22мм2 или 26×32мм2). Этот показатель (при заданной мощности источника излучения) зависит от быстродействия технологического цикла прохождения полупроводниковых пластин в литографической установке, определяемой конструктивными особенностями ее платформы. Так, фирма ASML эту задачу решает на базе платформы TWINSCAN (рис.5), основная идея которой заключается в наличии двух идентичных столов для полупроводниковых пластин и реализации параллельных процессов: экспонирования одной полупроводниковой пластины (правое положение стола) и одновременной метрологической подготовки и координатной привязке другой полупроводниковой пластины. Аналогичную идею использовала фирма Nikon (платформа Tandem, но ее конструкция требует доработки). Отечественый нанолитограф требует либо создать конструкцию, аналогичную платформе TWINSCAN, либо купить ее.
Требования, предъявляемые к базовым критическим элементам, влияют на требования к оптическим элементам: шероховатость поверхности зеркал (при диаметре 100мм) – не более 0,2 нм (СКО), погрешность толщин индивидуальных слоев покрытий – не более 1%, что составляет доли ангстрема (при толщине слоев Si и Mо 4,1 нм и 2,7 нм). Для 193-нм DUV-наносканера лазерный источник излучения и сама установка должны располагаться в разных по классу помещениях (для источника требуется более низкий класс чистоты) и на расстоянии до 6–8 м с подводом излучения. Существенным отличием EUV-наносканера является интегрированная конструкция источника излучения и коллекторного зеркала. А это требует эффективной системы охлаждения зеркала.
В Европе, Японии и США работы по EUV-литографии начали в 90-х годах для технологии 100 нм. Дальнейшее уменьшение технологических норм в конце 90-х привело к технологии 65 нм, а в 2000-х – последовательно до 45 нм и 32 нм. Внедрение описываемой технологии в промышленное производство исключительно сложная техническая проблема, требующая для своего решения и значительной финансовой поддержки. В частности, по этой причине внедрение EUV-литографии для технологической нормы 32 нм откладывают несколько лет, ее пытаются заменить на новые технологические варианты 193 нм литографии (например, технологию удвоения плотности линий микроструктуры (DP–Double patterning), воспроизводимой в слое фоторезиста на полупроводниковой пластине и компьютеризированную литографию (computational lithography)). В последние годы EUV-литография устремилась в область ниже 22 нм.
Отметим историческую закономерность в развитии технологии в части значений NA, числовой апертуры ПО, и технологического параметра k1 (рис.6). Эволюционный переход к EUV-литографии возвращает нас к «старым добрым временам» больших значений k1 и малых значений NA. С технико-экономической точки зрения внедрение EUV-литографии означает переход к технологии с более высокой экономической эффективностью. Для ее количественной оценки за рубежом принято использовать универсальный показатель cost of ownership (COO), название которого на русский язык можно перевести дословно как «стоимость владения» (той или иной технологией). Этот вопрос практически не освещался в российской научно-технической литературе и практически никогда не обсуждался публично. Так, в кратком отечественном обзоре основных видов оборудования, материалов и технологических приемов проекционной фотолитографии [22] показатель COO не рассмотрен, а изложение вопроса оценки экономической эффективности различных литографических методов сводится лишь к оценке стоимости комплекта масок (фотошаблонов). Согласно [23] со ссылками на стандарты SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International), E35 и E140, термин COO включает полную стоимость (себестоимость) внедрения, эксплуатации и вывода из эксплуатации (по истечении срока службы) технологического оборудования с учетом того оборудования, которое обеспечивает выпуск продукции. Там же, со ссылкой на стандарт E70, приведено другое толкование этого термина, а именно, под COO считают все затраты на производственное оборудование в течение срока службы, связанные с его приобретением, установкой и эксплуатацией. Короче, значение COO определяется и технико-экономическими характеристиками, и параметрами литографической установки, и затратами на технологическое, контрольно-измерительное оборудование, материалы и другие расходы, обеспечивающие производственный процесс.
При этом отметим, что согласно International SEMATECH, четыре основных фактора: количество полупроводниковых пластин, обработанных одним фотошаблоном, – коэффициент использования фотошаблона (WPM-wafer per mask); стоимость фотошаблона; стоимость литографической установки и ее производительность вносят основной вклад в значение показателя COO. В случае применения литографического оборудования, характеризующегося низким значением WPM, основной вклад в значение показателя COO будет давать стоимость фотошаблона. В то время как при высоких значениях WPM основной вклад будут определять стоимость установки и ее производительность [24]. Именно экономическая целесообразность использования EUV-литографии для крупномасштабного производства СБИС поддерживает ее интенсивное развитие. Ведь всем известны сопровождающие ее технические проблемы и финансовые затраты.
В октябре 2009 года прошел международный симпозиум по вопросам 193-нм иммерсионной литографии и EUV-литографии (2009 International EUVL and 193 nm Immersion Extensions Symposia). Его участники подчеркнули доминирующая роль СОО над другими технико-экономическими показателями при переходе на норму 22 нм [7]. Выделили условия, необходимые для внедрения EUV-технологии в промышленное производство:
* наличие бездефектных масок, сохраняющих свои параметры в течение жизненного цикла, и комплекс оборудования для контроля и классификации дефектов масок;
* долговременный режим работы источника излучения с мощностью 100 Вт в промежуточном фокусе и энергией порядка 5 МДж в день;
* материал резиста, который одновременно должен удовлетворять требованиям по разрешению, чувствительности и размытию края линии (line edge roughness –LER).
Уже заметны достижения в разработках EUV-резиста. В конце 2009 года появилось сообщение об успехах корпорации Toshiba (Япония) в разработке фоторезиста с высоким разрешением, предназначенного для EUV-литографии с технологической нормой 20 нм. В его основе – производные низкомолекулярного вещества труксена (truxene).
В декабре 2009 года на научно-техническом совещании инженеров и ученых ОАО «НИИМЭ и Микрон», ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», ФТИАН, ИФМ РАН, ФТИ РАН, ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ», ФГУП НПК «ГОИ им. С. И. Вавилова», ИС РАН и ГК «Роснанотехнологии» обсуждались вопросы координации работ по развитию нанолитографии в России. Ожидаемая стоимость EUV-наносканеров на мировом рынке составит не менее 80–90 млн. долл. Мы обнаружили одну из ключевых проблем EUV-литографии, тормозящую ее внедрение в промышленность, – это отсутствие надежного источника излучения с мощностью более 100 пластин (диаметром 300 мм) в час. В связи с этим отметим проект создания ускорительного комплекса на базе 1,5 ГэВ сверхпроводящего линейного ускорителя для лазера на свободных электронах (ЛСЭ), имеющего среднюю мощность лазерного излучения более чем 300 Вт (λ=13,5 нм), в ОИЯИ (г. Дубна). Реализация проекта создания EUV-наносканера для производства СБИС с проектными нормами 22–16 нм обеспечит технологическую независимость России от зарубежной элементной компонентной базы.
Литература
1. Braun A. Semiconductor International, 2.11.2009, www.intel.com.
2. Deffree S. Electronic News, 10.27.2008, www.smics.com.
3. Wilson R. Samsung intros 32Gbyte card using 30nm NAND chips.http:// www.electronicsweekly.com .
4. http://www.edn.com.
5. Wilson R. Fujitsu uses TSMC for 40nm and, maybe 28nm http://www.electronicsweekly.com.
6. http://www.globalspec.com/FeaturedProducts .
7. http://www.semiconductor.net.
8. Shmaenok L.A. et al. Novel instrumentation for in- and out of band metrology of EUVL sources.– Proceedings of 2nd International EUV-Symposium, Belgium, 2003.
9. Гапонов С.В. Работы в области проекционной EUV-литографии в рамках российской программы. – Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2005. – Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2005,т.1.
10. Chkhalo N.I. et al. Manufacturing and investigation of objective lens for ultrahigh resolution lithography facilities. – Proc.SPIE, 2008, v.7025.
11. Bibishkin, M. S. et al. Multilayer Zr/Si filters for EUV lithography and for radiation source metrology. – Proc.SPIE, 2008, v.7025.
12. Chkhalo, N. I. et al. Correction of the EUV mirror substrate shape by ion beam. – Proc. SPIE, 2008, v.7025.
13. Салащенко Н.Н. Коротковолновая проекционная литография.– Вестник РАН 2008, т.78, №5.
14. Клюенков Е.Б. Работы по созданию и аттестации рентгенооптических элементов и систем сверхвысокого разрешения в ИФМ РАН. –Изв.РАН. Сер. физическая. 2009. т ,№1.
15. Borisov V. et al. Xenon and tin pinch discharge sources/ EUV Sources for Lithography. – Bellingham: SPIE Press, 2006.
16. Борисов В. и др. Создание и исследование мощных импульсно-периодических источников ВУФ-излучения.– Физика плазмы, 2010, т. 36, №2.
17. Borisov V. еt al.The Development of High Power Discharge Produced Plasma EUV Sources For Next Generation of the Semiconductor Chip Manufacturing.– Proc. of the 11th ISST of Light Sources, China. 2007.
18. Bakshi V. Race to EUVL Still Depends on Photons Semiconductor International, 2009, №12-2.
19. Аверкин С. и др. Разработка низкотемпературных плазмохимических процессов и серии плазменных установок для микро- и нанотехнологий. – Труды ФТИАН «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника», 2005, т. 18.
20. Сейсян Р. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете (Обзор). – Журнал технической физики, 2005, т. 75, вып. 5.
21. Rothscchild M. Projection optical lithography. – Materials Today, 2005, v.8, №2.
22. Мартынов В.В., Просий А.Д. и др. Современная технология фотолитографии в производстве СБИС. Зарубежная электронная техника. – М.: ОАО «ЦНИИ «Электроника» 2002, №3–4.
23. SEMI International Standards: Compilation of Terms (Updated 0705), SEMI 1978, 2005.
24. http://www. sematech.com.
В России современные микроэлектронные производства работают в основном на базе импортных технологических линий. Компания «Ситроникс» создала производство уровня 180–130 нм, а с 2010 года развернет производственную линию по технологии 90 нм. Суммарная стоимость проекта составит порядка 16,5 млрд. руб. с распределением: ГК «Роснано» – 6,5 млрд. руб; «Ситроникс» – 6,5 млрд. руб (стоимость оборудования и инфраструктуры) и оставшаяся часть, 3,5 млрд.руб, – заемные средства. На правительственном уровне обсуждали выделение 1,09 млрд. долл. на создание (в Зеленограде) нового производства на пластинах 300 мм с лицензированными технологиями 65 и 45 нм (IBM, Intel или STMicroelectronics) для цифрового телевидения и глобальной системы позиционирования ГЛОНАСС. По предварительной договоренности «Ситроникс» дополнительно вложит в это производство внебюджетные средства – 1,28 млрд. долл. ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) в свою очередь планирует создать технологическую линейку для производства чипов с нормами 130 нм (по технологии AMD) под кредит ВТБ на сумму около 800 млн. долл.
Практически с этих технологических норм и с этих средств начинается новый этап в развитии отечественной микроэлектроники. Импортирование в Россию оборудования и технологий позволит сократить отставание от ведущих в мире производителей микроэлектронных изделий, но не догнать их, так как новейшие поставки электронных технологий и оборудования запрещены для экспорта Конгрессом США. Для ликвидации технологического отставания необходимо создать собственные производства уровня 32–16 нм. И для этого в России появились реальные предпосылки. А научно-промышленные центры России уже имеют солидный задел по EUV-литографии и плазменным процессам, созданы образцы технологического оборудования.
В рамках российских и европейских научных программ в Институте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) получены значительные научно-практические результаты в области EUV-литографии на λ=13,5 нм для реализации наноструктур с минимальными размерами 22 нм и ниже [6–14]. Работы выполнены с участием ASML, Института спектроскопии РАН (ИС РАН) и ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (ТРИНИТИ). В Троицке разрабатывают источник излучения для EUV-литографии на основе разряда в парах олова, инициируемого лазером, между вращающимися дисковыми электродами (discharge-produced plasma – DPP) [15–17]. Заметим, что фирма Cymer (Сан-Диего, США) поставляет фирме ASML EUV-источник на базе плазмы, создаваемой лазерным излучением, сфокусированным на капельках олова (laser-produced plasma –LPP). При этом ее интерес к разработкам DPP-источников фирмы Philips Xtreme (Йена, Германия) не ослабевает [18].
В ФТИАН проводятся работы по исследованию процессов травления и осаждения в плазме элементов топологии нанометрового диапазона. Современные реакторы высокоплотной плазмы обеспечивают на пластинах диаметром 200 мм однородность получаемых элементов и их селективность по размерам. Разрабатываются также методы контроля плазмохимических процессов, основанные на оригинальных зондовых методиках [19]. Определенный научный задел в разработке проекционных объективов и отдельных элементов EUV-нанолитографа имеется и в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ РАН) [20]. ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» совместно с концерном «Планар» (г. Минск) при участии ГОИ им. Вавилова и ЦФП ИОФ РАН в 2004–2006 годах экспериментально отработали основные функциональные узлы и блоки установки проекционного экспонирования и мультипликации для технологического уровня 180–250 нм. В конце 2008г. ОАО «НИИМЭ и Микрон» совместно с НИИ СИ РАН, ИФМ РАН и ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева» приняли решение о совместном участии в реализации проекта нанолитографии экстремального ультрафиолета. Он предусматривают кооперацию предприятий РФ (см.таблицу):
* от Министерства образования и науки: МГУ имени М.В. Ломоносова и МИЭТ; от Российской академии наук: Физико-технологический институт (ФТИАН), Институт физики микроструктур (ИФМ РАН), Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ РАН), Институт радиотехники и электроники (ИРЭ РАН), Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (ИПТМ РАН), Институт спектроскопии РАН (ИС РАН), Всероссийский Научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ);
* от промышленности: ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ФГУП НПК «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова», Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения (ФГУП НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»), ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИТМ», ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» и др., а также от Белоруссии – концерн «Планар».
Не исключена кооперация и с некоторыми зарубежными фирмами для сокращения времени реализации проекта и оптимизации научно-производственных и сырьевых ресурсов. При этом актуально создание отечественного DUV-наносканера на базе линзового и зеркально-линзового проекционных объективов (ПО) (рис.3) для вариантов «сухой» и иммерсионной 193-нм литографии (рис.4), соответственно. При оценке технико-экономических показателей и параметров наносканера их технические характеристики являются определяющими. Для иммерсионной литографии в качестве жидкости ныне используется деионизированная вода*).
Известно, что критерий Релея определяет теоретический предел разрешения оптических систем (для тест-объекта в виде периодической структуры). Он определяет разрешение или минимальный размер (W) элемента структуры, который может быть реализован в слое фоторезиста на полупроводниковой пластине при использовании ПО с числовой апертурой (NA) на рабочей длине волны излучения λ согласно выражению: W=k1⋅λ/NA. Где W – это общий критерий оценки уровня технологии производства СБИС, численно он равен половине расстояния между ячейками DRAM микросхемы или половине шага (HP – half pitch) плотной линейчатой структуры (иногда DRAM half pitch) [21]. Технологичность метода проекционной фотолитографии, в первом приближении, определяется значением параметра k1. Этот комплексный параметр зависит от качества (чувствительности) фоторезиста и вариации технологии улучшения разрешения (RET-resolution enchancement technology). В случае однократной экспозиции ее определяет тип освещения фотошаблона и его структура. Согласно теории дифракции минимальное значение k1=0,25. Но при этом не ясно, возможно ли реализовать в промышленных масштабах такой технологический процесс.
В иммерсионной литографии, если принять для воды показатель преломления n=1,45, максимально достижимое значение синуса половинного угла 0,95. Тогда получаем NA=1,38 и k1=0,25. А предел разрешения W~35 нм. Сравним: в случае EUV-литографии λ=13,5нм такой предел разрешения может быть достигнут для значений NA~0,25 и k1=0,59. Создание зеркально-линзового ПО требует разработки и внедрения современных технологий изготовления и контроля его зеркальных компонентов. Часть из них может быть использована и в качестве подложек для EUV-зеркал, представляющих собой «Брэгговские» покрытия из 9–11 чередующихся Mо/Si мультислоев.
Другим критерием, определяющим потенциальные возможности технологии в масштабах промышленного производства, является производительность, или количество отработанных в час полупроводниковых пластин (диаметры: 150, 200 или 300 мм) при заданном размере чипа (типичные размеры: 22×22мм2 или 26×32мм2). Этот показатель (при заданной мощности источника излучения) зависит от быстродействия технологического цикла прохождения полупроводниковых пластин в литографической установке, определяемой конструктивными особенностями ее платформы. Так, фирма ASML эту задачу решает на базе платформы TWINSCAN (рис.5), основная идея которой заключается в наличии двух идентичных столов для полупроводниковых пластин и реализации параллельных процессов: экспонирования одной полупроводниковой пластины (правое положение стола) и одновременной метрологической подготовки и координатной привязке другой полупроводниковой пластины. Аналогичную идею использовала фирма Nikon (платформа Tandem, но ее конструкция требует доработки). Отечественый нанолитограф требует либо создать конструкцию, аналогичную платформе TWINSCAN, либо купить ее.
Требования, предъявляемые к базовым критическим элементам, влияют на требования к оптическим элементам: шероховатость поверхности зеркал (при диаметре 100мм) – не более 0,2 нм (СКО), погрешность толщин индивидуальных слоев покрытий – не более 1%, что составляет доли ангстрема (при толщине слоев Si и Mо 4,1 нм и 2,7 нм). Для 193-нм DUV-наносканера лазерный источник излучения и сама установка должны располагаться в разных по классу помещениях (для источника требуется более низкий класс чистоты) и на расстоянии до 6–8 м с подводом излучения. Существенным отличием EUV-наносканера является интегрированная конструкция источника излучения и коллекторного зеркала. А это требует эффективной системы охлаждения зеркала.
В Европе, Японии и США работы по EUV-литографии начали в 90-х годах для технологии 100 нм. Дальнейшее уменьшение технологических норм в конце 90-х привело к технологии 65 нм, а в 2000-х – последовательно до 45 нм и 32 нм. Внедрение описываемой технологии в промышленное производство исключительно сложная техническая проблема, требующая для своего решения и значительной финансовой поддержки. В частности, по этой причине внедрение EUV-литографии для технологической нормы 32 нм откладывают несколько лет, ее пытаются заменить на новые технологические варианты 193 нм литографии (например, технологию удвоения плотности линий микроструктуры (DP–Double patterning), воспроизводимой в слое фоторезиста на полупроводниковой пластине и компьютеризированную литографию (computational lithography)). В последние годы EUV-литография устремилась в область ниже 22 нм.
Отметим историческую закономерность в развитии технологии в части значений NA, числовой апертуры ПО, и технологического параметра k1 (рис.6). Эволюционный переход к EUV-литографии возвращает нас к «старым добрым временам» больших значений k1 и малых значений NA. С технико-экономической точки зрения внедрение EUV-литографии означает переход к технологии с более высокой экономической эффективностью. Для ее количественной оценки за рубежом принято использовать универсальный показатель cost of ownership (COO), название которого на русский язык можно перевести дословно как «стоимость владения» (той или иной технологией). Этот вопрос практически не освещался в российской научно-технической литературе и практически никогда не обсуждался публично. Так, в кратком отечественном обзоре основных видов оборудования, материалов и технологических приемов проекционной фотолитографии [22] показатель COO не рассмотрен, а изложение вопроса оценки экономической эффективности различных литографических методов сводится лишь к оценке стоимости комплекта масок (фотошаблонов). Согласно [23] со ссылками на стандарты SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International), E35 и E140, термин COO включает полную стоимость (себестоимость) внедрения, эксплуатации и вывода из эксплуатации (по истечении срока службы) технологического оборудования с учетом того оборудования, которое обеспечивает выпуск продукции. Там же, со ссылкой на стандарт E70, приведено другое толкование этого термина, а именно, под COO считают все затраты на производственное оборудование в течение срока службы, связанные с его приобретением, установкой и эксплуатацией. Короче, значение COO определяется и технико-экономическими характеристиками, и параметрами литографической установки, и затратами на технологическое, контрольно-измерительное оборудование, материалы и другие расходы, обеспечивающие производственный процесс.
При этом отметим, что согласно International SEMATECH, четыре основных фактора: количество полупроводниковых пластин, обработанных одним фотошаблоном, – коэффициент использования фотошаблона (WPM-wafer per mask); стоимость фотошаблона; стоимость литографической установки и ее производительность вносят основной вклад в значение показателя COO. В случае применения литографического оборудования, характеризующегося низким значением WPM, основной вклад в значение показателя COO будет давать стоимость фотошаблона. В то время как при высоких значениях WPM основной вклад будут определять стоимость установки и ее производительность [24]. Именно экономическая целесообразность использования EUV-литографии для крупномасштабного производства СБИС поддерживает ее интенсивное развитие. Ведь всем известны сопровождающие ее технические проблемы и финансовые затраты.
В октябре 2009 года прошел международный симпозиум по вопросам 193-нм иммерсионной литографии и EUV-литографии (2009 International EUVL and 193 nm Immersion Extensions Symposia). Его участники подчеркнули доминирующая роль СОО над другими технико-экономическими показателями при переходе на норму 22 нм [7]. Выделили условия, необходимые для внедрения EUV-технологии в промышленное производство:
* наличие бездефектных масок, сохраняющих свои параметры в течение жизненного цикла, и комплекс оборудования для контроля и классификации дефектов масок;
* долговременный режим работы источника излучения с мощностью 100 Вт в промежуточном фокусе и энергией порядка 5 МДж в день;
* материал резиста, который одновременно должен удовлетворять требованиям по разрешению, чувствительности и размытию края линии (line edge roughness –LER).
Уже заметны достижения в разработках EUV-резиста. В конце 2009 года появилось сообщение об успехах корпорации Toshiba (Япония) в разработке фоторезиста с высоким разрешением, предназначенного для EUV-литографии с технологической нормой 20 нм. В его основе – производные низкомолекулярного вещества труксена (truxene).
В декабре 2009 года на научно-техническом совещании инженеров и ученых ОАО «НИИМЭ и Микрон», ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», ФТИАН, ИФМ РАН, ФТИ РАН, ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ», ФГУП НПК «ГОИ им. С. И. Вавилова», ИС РАН и ГК «Роснанотехнологии» обсуждались вопросы координации работ по развитию нанолитографии в России. Ожидаемая стоимость EUV-наносканеров на мировом рынке составит не менее 80–90 млн. долл. Мы обнаружили одну из ключевых проблем EUV-литографии, тормозящую ее внедрение в промышленность, – это отсутствие надежного источника излучения с мощностью более 100 пластин (диаметром 300 мм) в час. В связи с этим отметим проект создания ускорительного комплекса на базе 1,5 ГэВ сверхпроводящего линейного ускорителя для лазера на свободных электронах (ЛСЭ), имеющего среднюю мощность лазерного излучения более чем 300 Вт (λ=13,5 нм), в ОИЯИ (г. Дубна). Реализация проекта создания EUV-наносканера для производства СБИС с проектными нормами 22–16 нм обеспечит технологическую независимость России от зарубежной элементной компонентной базы.
Литература
1. Braun A. Semiconductor International, 2.11.2009, www.intel.com.
2. Deffree S. Electronic News, 10.27.2008, www.smics.com.
3. Wilson R. Samsung intros 32Gbyte card using 30nm NAND chips.http:// www.electronicsweekly.com .
4. http://www.edn.com.
5. Wilson R. Fujitsu uses TSMC for 40nm and, maybe 28nm http://www.electronicsweekly.com.
6. http://www.globalspec.com/FeaturedProducts .
7. http://www.semiconductor.net.
8. Shmaenok L.A. et al. Novel instrumentation for in- and out of band metrology of EUVL sources.– Proceedings of 2nd International EUV-Symposium, Belgium, 2003.
9. Гапонов С.В. Работы в области проекционной EUV-литографии в рамках российской программы. – Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2005. – Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2005,т.1.
10. Chkhalo N.I. et al. Manufacturing and investigation of objective lens for ultrahigh resolution lithography facilities. – Proc.SPIE, 2008, v.7025.
11. Bibishkin, M. S. et al. Multilayer Zr/Si filters for EUV lithography and for radiation source metrology. – Proc.SPIE, 2008, v.7025.
12. Chkhalo, N. I. et al. Correction of the EUV mirror substrate shape by ion beam. – Proc. SPIE, 2008, v.7025.
13. Салащенко Н.Н. Коротковолновая проекционная литография.– Вестник РАН 2008, т.78, №5.
14. Клюенков Е.Б. Работы по созданию и аттестации рентгенооптических элементов и систем сверхвысокого разрешения в ИФМ РАН. –Изв.РАН. Сер. физическая. 2009. т ,№1.
15. Borisov V. et al. Xenon and tin pinch discharge sources/ EUV Sources for Lithography. – Bellingham: SPIE Press, 2006.
16. Борисов В. и др. Создание и исследование мощных импульсно-периодических источников ВУФ-излучения.– Физика плазмы, 2010, т. 36, №2.
17. Borisov V. еt al.The Development of High Power Discharge Produced Plasma EUV Sources For Next Generation of the Semiconductor Chip Manufacturing.– Proc. of the 11th ISST of Light Sources, China. 2007.
18. Bakshi V. Race to EUVL Still Depends on Photons Semiconductor International, 2009, №12-2.
19. Аверкин С. и др. Разработка низкотемпературных плазмохимических процессов и серии плазменных установок для микро- и нанотехнологий. – Труды ФТИАН «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника», 2005, т. 18.
20. Сейсян Р. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете (Обзор). – Журнал технической физики, 2005, т. 75, вып. 5.
21. Rothscchild M. Projection optical lithography. – Materials Today, 2005, v.8, №2.
22. Мартынов В.В., Просий А.Д. и др. Современная технология фотолитографии в производстве СБИС. Зарубежная электронная техника. – М.: ОАО «ЦНИИ «Электроника» 2002, №3–4.
23. SEMI International Standards: Compilation of Terms (Updated 0705), SEMI 1978, 2005.
24. http://www. sematech.com.
Отзывы читателей
