EUV-Lithografie

EUV-Lithografie (auch kurz EUVL) ist ein Fotolithografie-Verfahren, das elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 13,5 nm (91,82 eV) nutzt, sogenannte extrem ultraviolette Strahlung (englisch extreme ultra violet, EUV). Dies soll es ermöglichen, auch zukünftig die Strukturverkleinerung in der Halbleiterindustrie fortzusetzen, um kleinere, effizientere, schnellere und günstigere integrierte Schaltkreise herstellen zu können.

Hintergrund

Die EUV-Lithografie kann als Weiterführung der optischen Lithografie mit kleineren Wellenlängen angesehen werden. Der Technologiesprung von der derzeit verwendeten 193-nm-Belichtungsanlagen zu 13,5 nm erfordert die Lösung einer ganzen Reihe technischer Probleme. Im Februar 2008 präsentierten IBM und AMD die erste vollständige Belichtung eines Wafers mit EUVL mit einem realen Chip in 45-nm-Technologie. Technische Details wurden nicht veröffentlicht.^[1]

Es wird davon ausgegangen, dass die Technologie ab einem industrieüblichen Durchsatz für Lithografieanlagen von wenigstens 100 Wafer/Stunde wirtschaftlich wird. Sofern die technischen Herausforderungen rechtzeitig gelöst werden können, wird erwartet, dass die EUV-Lithografie erst nach 2019 und erst für Strukturgrößen kleiner als 16 nm (16-nm-Technologie) zur Verfügung steht.^[2]

EUV-Lithografiesysteme

Ein EUV-Lithografiesystem besteht vereinfacht aus folgenden Elementen:

• Strahlungsquelle mit Debrisschutz und Kollektor
• abbildende Optik und Maske
• Wafer mit Fotolack

Strahlungsquelle

EUV-Strahlung wird bei der Erzeugung von Plasmen frei. Solche Plasmen werden in Gasen durch starke elektrische Entladungen (engl. gas discharge produced plasma, GDPP) oder durch Fokussierung von Laserstrahlung (engl. laser produced plasma, LPP) erzeugt. Je nach Art des Mediums liegt ein Teil des emittierten Strahlungsspektrums im gewünschten Bereich von 2 % Bandbreite der Zentralwellenlänge 13,5 nm. Als Medium wurde zunächst Xenon verwendet, wegen einer höheren Konversionseffizienz konnte sich Zinn durchsetzen.

Debrisschutz

Das in der Strahlungsquelle erzeugte Plasma besteht aus Ionen und Elektronen, die sich mit großer Geschwindigkeit bewegen. Um zu verhindern, dass diese Schäden an den verwendeten Optiken verursachen, werden solche Teilchen abgefangen (Folienfallen, Puffergas) oder es werden Reinigungsverfahren (chemische Prozesse oder thermische Verfahren) für betroffene Optiken angewendet.

Kollektor

Das Plasma in der Quelle emittiert Strahlung in alle Raumrichtungen. Damit diese Strahlung für einen Belichtungsprozess nutzbar wird, muss ein möglichst großer Teil davon durch eine Sammeloptik (Kollektor) in Richtung der eigentlichen Lithografieanlage reflektiert werden. Für Quellen nach dem GDPP-Prinzip werden angepasste Wolter-Teleskope verwendet, in denen die Strahlung unter streifendem Einfallswinkel reflektiert wird. Für LPP-Quellen kommen Mehrschichtspiegel bei nahezu senkrechtem Einfallswinkel zum Einsatz.

Als optische Schnittstelle zur Lithografieanlage ist ein Zwischenfokus definiert (engl. intermediate focus, IF), an dem mindestens einhundert Watt EUV-Strahlung (2 % Bandbreite) zur Verfügung gestellt werden müssen.

Abbildende Optik und Maske

Durch ein komplexes optisches System von sechs oder mehr Spiegeln wird die Strahlung für den eigentlichen Belichtungsprozess vorbereitet. Für EUV-Strahlung kommen sogenannte Mehrschichtspiegel (engl. multilayer mirror) zum Einsatz, die aus einer großen Anzahl (z. B. 50) von Molybdän/Silizium-Schichtpaaren bestehen. Einer Alterung der Spiegel durch Diffusion der Atome von einer Schicht in eine andere kann durch Zwischenschichten von nur einigen Atomlagen Dicke vorgebeugt werden. Die Oberfläche des Mehrschichtspiegels wird durch eine Schutzschicht (engl. capping layer) geschützt. Die Anforderungen an die Ebenheit der Spiegelsubstrate und die Qualität der Schichten sind enorm und stellen technologische Herausforderungen dar. Die theoretisch erreichbare Reflektivität dieser Spiegel liegt bei etwa 70 %, in einem 6-Spiegelsystem gehen also mehr als 90 % der Strahlung an diesen Spiegeln verloren.

Da für EUV-Strahlung keine transparenten Medien zur Verfügung stehen, wird die Lithografiemaske ebenfalls als Mehrschichtspiegel ausgeführt, der in seiner Oberfläche ein Bild der herzustellenden Strukturen trägt. Dazu wird eine absorbierende Schicht aus Chrom oder TaN an der Maskenoberfläche mittels Trockenätzverfahren strukturiert^[3][4]. Eine besondere Schwierigkeit liegt in der defektfreien Ausführung der Maske. Sowohl Strukturierungsfehler in der Absorberschicht als auch Defekte in den darunterliegenden Multilagen können zu Abbildungsfehlern führen. Kritische Defektgrößen liegen dabei deutlich unter 30 nm^[5]. Wird durch ein Partikel unterhalb der Multilagen die Ebenheit der Schichten verändert, kann ein Phasendefekt entstehen. Befindet sich dagegen ein Partikel im oberen Bereich der Multilagen, entsteht durch die Absorption des Partikels ein Amplitudendefekt. Defekte in den Multilagen können häufig nur unter EUV-Strahlung detektiert werden, wodurch die Maskeninspektion sehr aufwendig wird. Die Defektfreiheit der Multilagen der Maske ist eine der größten technologischen Herausforderungen der EUV-Lithographie^[6].

Aufgrund des schrägen Einfalls der EUV-Strahlung (typischerweise 5 Grad gegenüber der Oberflächennormale) entsteht durch Unebenheiten der Maskenoberfläche ein lateraler Versatz des Maskenbildes, der zu Lagefehlern der abbildenden Struktur auf der Waferoberfläche führt. Die Masken müssen daher einen Ebenheit von kleiner als 50 nm haben, wodurch die Herstellung der Maskensubstrate sehr aufwendig und teuer wird^[7].

Wafer und Fotolack

Von der Maske wird die Strahlung auf den mit einem geeigneten Fotolack beschichteten Wafer reflektiert. Die chemischen Eigenschaften des Fotolacks bestimmen wesentlich die Qualität der herstellbaren Strukturen. Gewünscht ist eine hohe Empfindlichkeit für EUV Strahlung, eine hohe Auflösung und eine geringe Kantenrauigkeit. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, diese Eigenschaften gleichzeitig mit einem Fotolack zu realisieren. Der Fotolack wird nach der Belichtung in einer Prozesskette entwickelt, um schließlich die gewünschten Strukturen zu erhalten.

Als Fotolacke werden typischerweise langkettige organische Polymere verwendet. Durch die EUV-Strahlung wird im sogenannten Fotosäure-Generator (engl. PAG) ein Proton freigesetzt, welches mit organischen Schutzgruppen in den Polymerseitenketten reagiert. Hierdurch wird die Löslichkeit des belichteten Polymers erhöht, so dass die belichteten Bereiche durch ein organisches Lösungsmittel (Entwickler) entfernt werden können. In diesem Fall handelt es sich um einen sogenannten Positivlack, da die belichteten Strukturen entfernt werden. Alternativ können Negativlacke eingesetzt werden, bei denen durch strahlungsinduzierte Quervernetzung der Polymerketten die Löslichkeit der belichteten Bereiche reduziert wird. Diese Lacke erzielen jedoch typischerweise eine geringere Auflösung als die Positivlacke^[8].

Aufgrund der hohen Energie der EUV-Photonen tragen pro Fläche nur wenige Photonen zur Belichtung bei. Eine zu hohe Empfindlichkeit der Lacke führt daher zu einer Erhöhung der Kantenrauhigkeit aufgrund statistischer Shot-Noise Effekte^[9]. Bei den geforderten Kantenrauhigkeiten im Bereich von einem Nanometer werden außerdem bereits die mittleren Längen der Polymerketten erreicht, so dass die molekulare Struktur der Lacke limitierend für die Kantenrauhigkeit ist. Aus diesem Grund werden auch kurzkettige Polymere als EUV-Lacke untersucht^[10]. Diese können jedoch zu einem erhöhten Ausgasen im Vakuum führen. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Spiegeloptik durch eine Kohlenstoffschicht kontaminiert wird und die Transmission der Optik deutlich reduziert wird.

Durch die hohe EUV-Absorption der Fotolacke müssen die Lackschichten dünner als ca. 100 nm sein. Diese Anforderung stellt für die Strukturierung der Wafer eine große Herausforderung dar, da während des Trockenätzens des Wafers auch die Dicke der Lackschicht reduziert wird. Je nach Anwendung müssen daher unter Umständen Mehrlagenresists zur Strukturierung verwendet werden^[8].

Probleme

Die Verringerung der Wellenlänge bringt eine Anzahl technologischer Änderungen mit sich. Mit seiner sehr kurzen Wellenlänge von 13,5 nm wird die EUV-Strahlung schon von Luft und von den meisten Materialien vollständig absorbiert. Die mittlere Absorptionslänge in Luft beträgt weniger als einen Millimeter, somit wird die Verwendung von Hochvakuum unumgänglich.

Die hohe Absorption bringt es mit sich, dass keine refraktiven Optiken, z. B. Linsen, verwendet werden können, stattdessen müssen Spiegeloptiken eingesetzt werden. Die Masken müssen ebenfalls stark reflektierende (rund 70 %) Oberflächen besitzen und unterscheiden sich somit von den konventionellen Belichtungsmasken.

Des Weiteren stellt die EUV-Technologie sehr viel höhere Anforderungen an die Oberflächenrauheit (0,25 nm) aufgrund der Rayleigh-Streuung sowie an die Formtreue der Masken und der zu belichtenden Materialien. Das erforderliche Auflösungsvermögen und die Empfindlichkeit der Fotolacke (engl. resist) stellen weitere Herausforderungen dar.

Ein wesentliches Problem ist, dass die Erzeugung der hohen erforderlichen EUV-Strahlungsleistung technisch noch nicht gelöst ist; es werden mehr als 100 W am Zwischenfokus benötigt.

Literatur

• Banqiu Wu, Ajay Kumar: Extreme ultraviolet lithography: A review. In: Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 25, Nr. 6, 2007, S. 1743–1761, doi:10.1116/1.2794048.
• Uwe Stamm, Heinrich Schwoerer, Rainer Lebert: Strahlungsquellen für die EUV-Lithographie. In: Physik Journal. 1, Nr. 12, 2002, ISSN 1617-9439, S. 33–49 (PDF).
• Uwe Stamm: Extreme ultraviolet light sources for use in semiconductor lithography—state of the art and future development. In: Journal of Physics D: Applied Physics. 37, Nr. 23, 2004, S. 3244–3253, doi:10.1088/0022-3727/37/23/005.
• Vivek Bakshi (Hrsg.): EUV Lithography. SPIE Press, Bellingham, WA, 2008, ISBN 9780819480705.

Weblinks

• International Technology Roadmap for Semiconductors 2009 Edition: Lithography 2009, abgerufen am 25. Februar 2010.

Einzelnachweise

1. ↑ AMD Testing Functional Devices Made Using Extreme Ultra-Violet (EUV) Lithography on Test Chip. Yahoo-News, 26. Februar 2008.
2. ↑ Intel Sees Immersion Extending to 11 nm, Semiconductor International, 22. Februar 2010
3. ↑ F. Letzkus, J. Butschke, M. Irmscher, F. M. Kamm, C. Koepernik, J. Mathuni, J. Rau and G. Ruhl.: Dry etch processes for the fabrication of EUV masks. In: Microelectronic Engineering. Vol. 73–74, 2004, S. 282–288, doi:10.1016/j.mee.2004.02.054.
4. ↑ F. Sobela: Absorber stack optimization towards EUV lithography mask blank pilot production. In: 24th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Proc. SPIE. 5567, S. 781, doi:10.1117/12.568787 (PDF, abgerufen am 12. Juli 2010).
5. ↑ Ted Liang , et al.: Growth and Printability of Multilayer Phase Defects on EUV Mask Blanks. In: 2007 EUV Symposium, Sapporo, Japan. Abgerufen am 13. Juli 2010 (Vortragsfolien).
6. ↑ SEMATECH and Carl Zeiss to Develop First-Ever EUV Aerial Imaging Tool. 8. Juli 2010, Abgerufen am 13. Juli 2010.
7. ↑ Phil Seidel, Chris Van Peski, Stefan Wurm: EUV Substrate, Blank, and Mask Flatness Current Specifications & Issues Overview. In: EUV Mask Flatness & Carrier/Loadport Workshop October 19th 2006, Barcelona Spain. Abgerufen am 13. Juli 2010 (Vortragsfolien).
8. ↑ ^{a b} Robert L. Brainard: Photoresists for Extreme Ultraviolet Lithography. In: Vivek Bakshi (Hrsg.): EUV Lithography, SPIE Press, Bellingham, WA, 2008, ISBN 9780819480705.
9. ↑ A. R. Neureuther et. al.: Shot noise models for sequential processes and the role of lateral mixing. In: Journal of Vacuum Science and Technology B. 24, Nr. 4,2006, S. 1902–1908.
10. ↑ Daiju Shiono et. al.: LER evaluation of molecular resist for EUV lithography. In: Microelectronic Engineering. 84, Nr. 5–8, 2007, S. 1084–1087.