Экстремальная ультрафиолетовая литография –
будущее наноэлектроники

Рассмотрены вопросы разработки литографии с использованием экспериментального ультрафиолетового излучения с длиной волны 13,5 нм.

Основой информационных (компьютерных) технологий является передовая элементная база для создания компьютеров, устройств автоматики и коммуникации и т.п. (диоды, транзисторы, элементы опто- и наноэлектроники, большие и сверхбольшие интегральные схемы, процессоры и др.).

Создание большой интегральной схемы представляет собой сложный технологический процесс, состоящий из ряда основных технологических стадий.

1. Подготовка, включающая в себя:

· резку кремниевых подложек из болванки чистого кремния;

· обеспечение химическими материалами и газами для изготовления чипа и металлами (алюминий, медь и золото) для проводников в чипе;

· обеспечение источником УФ излучения для экспонирования фоторезистов;

· изготовление маски.

2. Изготовление, включающее в себя следующие технологические процессы:

· окисление кремния высокотемпературным нагревом в атмосфере газа;

· нанесение и растворение фоторезиста;

· облучение фоторезиста источником УФ излучения через маску с желаемой топологией чипа;

· химическое травление оксида кремния и напыляемых материалов;

· ионная имплантация (допирование) кремния;

· нанесение поликристаллического кремния и металлических пленок (проводников).

В целом, при производстве чипа описанные выше процедуры выполняются примерно на 20 слоях, формируя ЗВ-структуру. Общее число операций при производстве одного чипа превышает 250. Для увеличения производительности (уменьшения стоимости изделия) одновременно на одной кремниевой пластине изготавливаются сотни идентичных чипов, а стандартные пластины достигают в диаметре 300 мм.

3. Тестирование, резка и упаковка чипов. После изготовления чипов на пластине все электрические цепи каждого чипа тестируются. Затем пластина разрезается алмазным инструментом и каждый чип отделяется. Чип устанавливается в герметичный корпус, вновь тестируется и после прохождения теста он готов к использованию.

4. Испытания изготовленных изделий. Испытания проводятся для выяснения их надежности и вероятности отказов.

Основные технические характеристики чипа, такие как плотность информации, скорость передачи данных, энергопотребление, во многом определяются размерами электронных компонентов, прежде всего транзисторов. Для минимизации этих размеров ключевым звеном в технологическом процессе является литографическое оборудование, включающее в себя источник УФ излучения (эксимерный лазер), оптическую систему переноса изображения, систему позиционирования, сканирования и совмещения маски и фотошаблона.

В настоящее время основные успехи в области субмикрометровой литографии связаны с применением излучения эксимерных лазеров с длинами волн 248 и 193 нм. Мировым лидером по производству литографического оборудования является компания ASM Lithography (Нидерланды). Выпускаемая ими литографическая установка TWINS-CAN™ AT: 1200B, оснащенная 20-ваттным ArF эксимерным лазером с рабочей длиной волны 193 нм, обеспечивает пространственное разрешение 80 нм на пластинах с диаметром 300 мм.

В табл. 1 приведены параметры интегральных схем, достигнутые к настоящему времени и прогнозируемые, полученных с использованием различных технологий. В табл. 2 представлены технологии экспонирования фоторезистов, которые должны в перспективе обеспечить производство интегральных схем, приведенных в табл. 1.

Таблица 1. Прогнозы параметров ультрабольших интегральных схем

*Параметры*	*1999 г.*	*2001 г.*	*2003 г.*	*2006 г.*	*2009 г.*	*2012 г.*	*2015-2020 гг.*
Минимальные размеры, нм	180	150	130	90	70	50	10
Емкость памяти на чипе (экспериментальные), бит	1 Г		4Г	16 Г	64 Г	256 Г
Емкость памяти на чипе (производство), бит	256 М	1 Г	1 Г	4Г	16 Г	64 Г
Число транзисторов в 1 см²	6,2 М	10 М	18 М	39 М	84 М	180 М	1 Г
Частота на чипе, МГц	500-1250	600-1500	700-2100	900-3500	1200-6000	1500-10000	5000-30000
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт	90	ПО	130	160	170	175	250-500
Размер чипа, мм²	400	445	560	820	1120	1580
Число уровней соединений	6-7	7	13	20	22-25	20-25

К приведенным таблицам нужно относиться весьма осторожно, поскольку практика показала, что как раз в области совершенствования технологии микроэлектроники все происходит существенно быстрее, чем планируется. Так, ошибка в прогнозах получения минимальных размеров в рисунках на чипах, опубликованных в 1994 и в 2001 гг., составила за столь короткий срок девять лет.

Таблица 2. Тенденции развития литографии

Емкость памяти на чипе, бит	*Год*	Разрешение, мкм	Технология экспонирования фоторезиста
64 М	1995	0,3-0,35	Излучение эксимерных KrF лазеров (l = 248 нм)
256 М	1998	0,25	Излучение эксимерных ArF лазеров (l = 193 нм)
1 Г	2001	0,18-0,13	Излучение эксимерных KrF лазеров (l = 248 нм) и ArF лазеров (l = 193 нм)
4 Г	2004	0,13-0,1	Излучение эксимерных ArF лазеров (l = 193 нм), EUV-литография
16 Г	2007	0,1	Излучение эксимерных F2 лазеров (l = 157 нм), EUV-литография
64 Г	2010	0,07	EUV-литография
256 Г	2013	0,03-0,04	EUV-литография

Как видно из таблиц, использование УФ излучения позволило получить минимальный размер элемента чипа на уровне 0,01 мкм. Фундаментальным препятствием на пути уменьшения размеров элементов интегральных схем является дифракционное искажение изображения УФ излучения на линзах, апертурах и масках литографической установки. К настоящему времени увеличение размера линз практически исчерпало свои возможности как с экономической точки зрения (стоимость высокоапертурных линз), так и с технологической.

Поэтому ведущими мировыми производителями больших интегральных схем (Intel, AMD) рассматривается (и реализуется) следующая стратегия. Для корректировки изображения маски используются дополнительные прямоугольники, которые несмотря на дифракцию излучения позволяют получить желаемое распределение освещенности на подложке. Другое решение заключается в применении специальных, так называемых фазосдвигающих масок. В этих масках на их поверхность селективно наносятся материалы, перекрывающие пучки, которые приводят к размытости изображения, вызванной дифракцией.

Оба этих метода заметно усложняют конструкцию масок, что приводит к существенному браку при их производстве (от 30 до 50%), а также удорожанию конечного продукта. Помимо экономической проблемы возникают и чисто технические, связанные как с расчетами корректирующих элементов (например, расчет 22-25 масок с коррекцией изображения для процессора, построенного по технологии 90 нм уже требует более 200 Гбит данных), так и с точностью их изготовления. Таким образом, это стратегия, направленная на уменьшение минимального размера элемента интегральных схем, также имеет ограниченные возможности.

Перспективной стратегией в рамках УФ литографии является уменьшение длины волны излучения, в частности, переход к длине волны 157 нм (излучение эксимерного p2 лазера). Однако возможности этой технологии для перехода к размерам элементов нанометрового диапазона также ограничены (см. табл. 1).

Кардинальный переход, к которому реально готово мировое сообщество, связан с освоением диапазона экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУФ) с длиной волны 13 нм. В США, учитывая практическую важность создания технологии EUV-литографии (область экстремального ультрафиолетового излучения), большую стоимость и сложность разработки, в сентябре 1997 г. для решения этой проблемы была создана так называемая Виртуальная Национальная Лаборатория (VNL), включающая кроме национальных лабораторий Министерства энергетики (Lawrence Berkley, Liver-more and Sandia National Laboratories) частные компании, такие как Intel, Motorola, Advanced Micro Devices (AMD). Уже в марте 1999 г. в фирме Motorola с применением этой технологии были получены рисунки с пространственным разрешением до 30 нм. В 2000 г. в Ливерморской национальной лаборатории был изготовлен первый вариант (a-tool) установки совмещения и экспонирования (так называемого степпера) и в настоящее время проходит стадия p-tool-выпуска малой серии.

В Европе фирмой-координатором работ в области EUV-литографии является ASM Lithography (Нидерланды), которая в дальнейшем и будет изготавливать степперы. Можно также отметить, что основным изготовителем степперов построен специальный корпус и проходят стадии монтажа и испытания узлы степпера. Фирма Carl Zeiss отвечает за оптику, ASM Lithography практически отвечает за выбор источника излучения. Намечалось, что изготовление и испытания a-tool степпера должны быть закончены в 2004 г., p-tool ‑ в 2005 г., y-tool ‑ в 2007 г. Предполагается, что Европа будет очень незначительно отставать в области проекционной литографии от США.

Подобные исследования активно проводятся в Японии. Существует национальная программа "EUVL Research Program at ASET", в которую включены многие исследовательские группы. Планы создания полной технологии EUV-литографии практически совпадают с планами США.

Следует отметить, что западные фирмы и фирмы Японии широко используют российских ученых (по различным контрактам), которые, без преувеличения, занимают ведущее положение в разработке техники и технологии EUV-литографии.

В России технология субмикрометровой микроэлектроники осталась на уровне середины 80-х годов. Если в мире изготовляются интегральные схемы с топологическим размером 0,13-0,16 мкм (см. табл. 1), то в нашей стране ‑ на уровне 0,8-1,2 мкм. Ситуация существенно изменится в 2005 г. с запуском в Зеленограде ("Ангстрем") линии по производству чипов с топологией 0,25 мкм, однако и это будет соответствовать мировому уровню лишь 1996-1998 гг.

Из-за 20 лет практического отсутствия эволюции в области создания интегральных схем для вывода России на передовой мировой уровень единственно возможным вариантом является закупка современного завода по производству чипов с топологией 0,1-0,13 мкм. Этот шаг позволит:

· наладить производство современных уже на данный момент чипов;

· нашим технологам и разработчикам как электронных компонентов, так и производителей аналогичного оборудования напрямую "приобщиться" к самым передовым технологиям в области производства чипов;

· совершить мощный скачок в исследованиях в области нанотехнологий в стране.

Ведь не секрет, что в настоящее время из-за физической невозможности создания наноструктур в России многие научные идеи и разработки отечественных ученых приходится осуществлять в западных фирмах, что приводит к потере как интеллектуальной собственности самими этими учеными, так и самых передовых технологий Россией.

При наличии такого завода в стране параллельно с реальным производством чипов будут проводиться научно-технологические работы по созданию фазовых масок и по использованию иммерсионных веществ в целях уменьшения минимальных топологических размеров элементов интегральных схем со стандартных 0,1-0,13 мкм до 0,07-0,09 мкм.

Сейчас силами ИФМ РАН, ФТИ им. Иоффе РАН, ТРИНИТИ, НИИИС и некоторых других институтов успешно развивается EUV-литография, которая обеспечит уменьшение топологических размеров от 0,04 до 0,01 мкм.

Объединение этих технологий обеспечит России до середины XXI века ведущие позиции в мире в области производства больших и сверхбольших интегральных схем.

По прогнозам SEMITECH, основным направлением, которое будет определять развитие электроники (наноэлектроники) с 2010 г., будет EUV-литография на длине волны 13,5 нм. Это направление очень динамично развивается в США, Европе и Японии. В научной части проектов задействована значительная группа российских институтов и отдельных ученых. Многие годы ИФМ РАН принимает участие в зарубежных проектах и сейчас имеет передовые позиции и понимание проблемы. С 2003 г. в ИФМ РАН ведется проект по созданию макета литографа. Сейчас проектируется литограф малой производительности для спецпроизводства. В случае приобретения передового микроэлектронного производства можно будет начать разработку литографа, который впоследствии заменит штатный.

Список литературы

1. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Талонов С.В., Копьев П.С., Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибсльдин Н.Н, Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологий // Микросистемная техника, 2003. №8. С. 3-13.

Экстремальная ультрафиолетовая литография – будущее наноэлектроники

Экстремальная ультрафиолетовая литография –
будущее наноэлектроники