„Auflösung erhöhende Techniken“ – Versionsunterschied
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Unter dem Begriff '''Auflösung erhöhende Techniken'''<ref>{{Literatur |Autor=Heinrich Klar |Titel=Integrierte Digitale Schaltungen Vom Transistor zur optimierten Logikschaltung |Auflage=3. Aufl. |Verlag=Springer |Ort=Berlin / Heidelberg |Datum=2015 |ISBN=978-3-540-69017-7 |Seiten=111}}</ref> (engl. {{lang|en|'''resolution enhancement technologies'''}}, RET) werden in der [[Halbleitertechnik]] Verfahren zusammengefasst, welche die Erzeugung von Strukturen ermöglichen, die weit über die Grenzen hinausgehen, die normalerweise aufgrund des [[Rayleigh-Kriterium]]s gelten würden. Dazu werden beispielsweise die zur Herstellung [[integrierter Schaltkreis]]e (ICs oder „Chips“) in [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|fotolithografischen Prozessen]] eingesetzten [[Fotomaske]]n verändert, um die Grenzen der optischen [[Auflösungsvermögen|Auflösung]] der Projektionssysteme auszugleichen. Moderne Technologien ermöglichen die Erzeugung von Strukturen in der Größenordnung von 7 [[Nanometer]] (nm), was weit unter der normalen Auflösung liegt, die mit tief [[Ultraviolettstrahlung|ultraviolettem]] Licht (193 nm) möglich ist. |
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{{Short description|Part of photolithography of integrated circuits}} |
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{{Distinguish|text=[[resolution enhancement technology]], used in laser printers}} |
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{{Use American English|date = April 2019}} |
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'''Resolution enhancement technologies''' are methods used to modify the [[photomask]]s in the [[Photolithography|lithographic processes]] used to make [[integrated circuit]]s (ICs or "chips") to compensate for limitations in the [[optical resolution]] of the projection systems. These processes allow the creation of features well beyond the limit that would normally apply due to the [[Rayleigh criterion]]. Modern technologies allow the creation of features on the order of 5 [[nanometer]]s (nm), far below the normal resolution possible using [[deep ultraviolet]] (DUV) light. |
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== Hintergrund == |
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Integrierte Schaltkreise werden in einem mehrstufigen Verfahren unter Verwendung der Fotolithografie hergestellt. Die Fertigung beginnt mit der Umsetzung des entworfenen Schaltkreises in Fertigungsabschnitte, bei denen entweder vorhandenes Material auf der Oberfläche eines Silizium[[wafer]]s oder eines anderen Halbleitermaterials strukturiert (z. B. Ätzen, selektive Abscheidung) oder Material gezielt in die Oberfläche eingebracht wird ([[Dotierung]], z. B. [[Ionenimplantation]]). |
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[[Integrated circuit]]s are created in a multi-step process known as [[photolithography]]. This process starts with the design of the IC circuitry as a series of layers than will be patterned onto the surface of a sheet of silicon or other [[semiconductor]] material known as a [[Wafer (electronics)|wafer]]. |
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Jede Struktur eines Fertigungsabschnitts (auch als Ebene bezeichnet) des endgültigen Designs wird auf eine [[Fotomaske]] (auch Retikel genannt) aufgebracht, diese besteht zum Beispiel aus feinen Chromlinien, die auf hochgereinigtem Quarzglas gefertigt werden. Die Maske wird über dem mit einem lichtempfindlichen [[Fotolack]] beschichteten Wafer positioniert und dann mit einem intensiven UV-Licht bestrahlt. Das UV-Licht löst chemische Reaktionen in der dünnen Fotolackschicht auf der Oberfläche des Wafers aus, wodurch die Löslichkeit des Fotolacks ändert. Nach einem Entwicklungsschritt ist das fotografische Muster der Fotomaske auf dem Wafer physikalisch übertragen und kann für weitere Prozess (Ätzen, Abscheidungen, Ionenimplantation) zur Maskierung genutzt werden. |
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Each layer of the ultimate design is patterned onto a [[photomask]], which in modern systems is made of fine lines of chromium deposited on highly purified quartz glass. Chromium is used because it is highly opaque to UV light, and quartz because it has limited thermal expansion under the intense heat of the light sources as well as being highly transparent to [[ultraviolet]] light. The mask is positioned over the wafer and then exposed to an intense UV light source. The UV light drives chemical reactions in a thin layer of [[photoresist]] on the surface of the wafer, causing the photographic pattern to be physically recreated on the wafer. |
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Wenn Licht auf ein Muster wie das auf einer Maske fällt, treten Beugungseffekte auf. Dies führt dazu, dass sich das scharf gebündelte Licht der UV-Lichtquelle (in modernen Anlagen ein [[Excimerlaser]]) auf der anderen Seite der Maske ausbreitet und mit zunehmendem Abstand immer unschärfer wird (vgl. [[Schärfentiefe]]). Um diese Effekte zu vermeiden, musste bei den frühen Systemen in den 1970er Jahren die Maske in direkten Kontakt mit dem Wafer gebracht werden, um den Abstand zwischen der Maske und der Oberfläche zu verringern ([[Kontaktbelichtung]]). Wenn die Maske angehoben wurde, löste sich oft die Fotolackschicht ab und der Wafer wurde ggf. unbrauchbar. Die Erzeugung eines beugungsfreien Bildes wurde schließlich durch die [[Projektionsbelichtung|Projektionsausrichtsysteme]] gelöst, die in den 1970er und frühen 1980er Jahren die Chipherstellung dominierten. |
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When light shines on a pattern like that on a mask, [[diffraction]] effects occur. This causes the sharply focussed light from the UV lamp to spread out on the far side of the mask and becoming increasingly unfocussed over distance. In early systems in the 1970s, avoiding these effects required the mask to be placed in direct contact with the wafer in order to reduce the distance from the mask to the surface. When the mask was lifted it would often pull off the resist coating and ruin that wafer. Producing a diffraction-free image was ultimately solved through the [[projection aligner]] systems, which dominated chip making through the 1970s and early 1980s. |
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Die stetige Verkleinerung von mikroelektronischen Strukturen (vgl. [[Mooresches Gesetz|mooreschen Gesetzes]]) führte schließlich dazu, dass auch die Projektionsausrichtgeräte an ihre Grenzen stießen. Daher wurden Anstrengungen unternommen, die Nutzung von bestehenden Systemen zu verlängern. Dies erfolgte vorrangig, indem man die Wellenlänge der genutzten Lichtquelle verringerte (von g-Linie über i-Linie und KrF-Excimerlaser hin zu ArF-Excimerlaser) und somit höhere Auflösungen erzielte (vgl. [[Rayleigh-Kriterium]]). Aber auch diese Vorgehensweise stieß an ihre Grenzen, da Lasersysteme mit noch kleinerer Wellenlänge, z. B. F<sub>2</sub>-Excimerlaser (156 nm), auch entsprechende hochtransparente Optiken und andere Materialien (Fotolacke) benötigen, die es nicht gibt oder noch nicht in der notwendigen Qualität vorlagen. |
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The relentless drive of [[Moore's law]] ultimately reached the limit of what the projection aligners could handle. Efforts were made to extend their lifetimes by moving to ever-higher UV wavelengths, first to DUV and then to EUV, but the small amounts of light given off at these wavelengths made the machines impractical, requiring enormous lamps and long exposure times. This was solved through the introduction of the [[stepper]]s, which used a mask at much larger sizes and used lenses to reduce the image. These systems continued to improve in a fashion similar to the aligners, but by the late 1990s were also facing the same issues. |
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Zu dieser Zeit wurde heftig darüber diskutiert, wie die Entwicklung hin zu kleineren Strukturen fortgesetzt werden könnte (siehe auch [[Next-Generation-Lithografie]]). Systeme mit Excimerlasern im [[Weiche Röntgenstrahlung|weichen Röntgenbereich]] (''[[EUV-Lithografie]])'' waren eine Lösung, aber diese waren noch am Anfang ihrer Entwicklung, zudem auch später (Einsatz ab dem 7-nm-[[Technologieknoten]]) sehr teuer und schwierig zu handhaben. Ein alternativer Weg war, die Auflösung bestehender Systeme zu verbessern, wobei sich vorrangig auf Systeme mit KrF- und ArF-Excimerlaser konzentriert wurde. |
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At the time, there was considerable debate about how to continue the move to smaller features. Systems using [[excimer laser]]s in the soft-X-ray region were one solution, but these were incredibly expensive and difficult to work with. It was at this time that resolution enhancement began to be used. |
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== Grundkonzept == |
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Das Grundkonzept der verschiedenen Systeme zur Verbesserung der Auflösung ist die kreative Nutzung der Beugung an bestimmten Stellen, um die Beugung an anderen Stellen auszugleichen. Wenn sich das Licht beispielsweise an einer Linie auf der Maske beugt, entstehen eine Reihe von hellen und dunklen Linien oder „Bändern“, die das gewünschte scharfe Muster ausbreiten. Um dies auszugleichen, wird ein zweites Muster aufgetragen, dessen Beugungsmuster sich mit den gewünschten Merkmalen überschneidet und dessen Bänder so positioniert sind, dass sie die des ursprünglichen Musters überlappen, um den gegenteiligen Effekt zu erzeugen – dunkel auf hell oder umgekehrt. Mehrere Merkmale dieser Art werden hinzugefügt, und das kombinierte Muster ergibt das ursprüngliche Merkmal. In der Regel sehen diese zusätzlichen Merkmale auf der Maske wie zusätzliche Linien aus, die parallel zum gewünschten Merkmal liegen. |
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The basic concept underlying the various resolution enhancement systems is the creative use of diffraction in certain locations to offset the diffraction in others. For instance, when light diffracts around a line on the mask it will produce a series of bright and dark lines, or "bands". that will spread out the desired sharp pattern. To offset this, a second pattern is deposited whose diffraction pattern overlaps with the desired features, and whose bands are positioned to overlap the original pattern's to produce the opposite effect - dark on light or vice versa. Multiple features of this sort are added, and the combined pattern produces the original feature. Typically, on the mask these additional features look like additional lines lying parallel to the desired feature. |
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Seit Anfang der 2000er Jahre werden diese Funktionen ständig verbessert. Zusätzlich zur Verwendung zusätzlicher Muster kommen bei modernen Systemen phasenverschiebende Materialien, Mehrfachmusterung und andere Techniken zum Einsatz. Zusammen haben sie es ermöglicht, dass die Größe der Merkmale weiterhin auf Größenordnungen unterhalb der Beugungsgrenze der Optik schrumpfen konnte. |
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Adding these enhancement features has been an area of continual improvement since the early 2000s. In addition to using additional patterning, modern systems add phase-shifting materials, multiple-patterning and other techniques. Together, they have allowed feature size to continue to shrink to orders of magnitude below the diffraction limit of the optics. |
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== Verwendung der Auflösungsverbesserung == |
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==Using resolution enhancement== |
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Nachdem ein IC-Design in ein physisches Layout umgewandelt, das Timing verifiziert und die Polygone als DRC-konform zertifiziert wurden, war der IC traditionell bereit für die Fertigung. Die Datendateien, die die verschiedenen Schichten repräsentieren, wurden an einen Maskenshop geschickt, der mithilfe von Maskenschreibgeräten jede Datenschicht in eine entsprechende Maske umwandelte, und die Masken wurden an die Produktionsstätte geschickt, wo sie zur wiederholten Herstellung der Designs in Silizium verwendet wurden. In der Vergangenheit war die Erstellung des IC-Layouts das Ende der Beteiligung an der Automatisierung des Elektronikdesigns (engl. {{lang|en|[[Electronic Design Automation|electronic design automation]]}}, EDA). |
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Traditionally, after an IC design has been converted into a physical [[Integrated circuit layout|layout]], the [[Static timing analysis|timing verified]], and the polygons certified to be [[Design rule checking|DRC-clean]], the IC was ready for fabrication. The data files representing the various layers were shipped to a mask shop, which used mask-writing equipment to convert each data layer into a corresponding mask, and the masks were shipped to the fab where they were used to repeatedly manufacture the designs in silicon. In the past, the creation of the [[IC layout]] was the end of the involvement of [[electronic design automation]]. |
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Da die Merkmale, wie der Transistorgatelänge, immer kleiner wurden, wirken sich neue physikalische Effekte, die in der Vergangenheit bei der Fertigung effektiv ignoriert werden konnten, nun auf die Merkmale aus, die auf dem Siliziumwafer gebildet werden. Auch wenn das endgültige Layout die gewünschte Siliziumstruktur darstellt, kann es durch verschiedene EDA-Tools noch stark verändert werden, bevor die Masken hergestellt und ausgeliefert werden. Diese Änderungen sind nicht erforderlich, um das Bauteil in seiner ursprünglich geplanten Form zu verändern, sondern lediglich, um den Fertigungsanlagen, die oft für die Herstellung von ICs einer oder zwei Generationen später gekauft und optimiert wurden, die Möglichkeit zu geben, die neuen Bauteile zu liefern. Diese Änderungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen. |
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However, as [[Moore's law]] has driven features to ever-smaller dimensions, new physical effects that could be effectively ignored in the past are now affecting the features that are formed on the silicon wafer. So even though the final layout may represent what is desired in silicon, the layout can still undergo dramatic alteration through several EDA tools before the masks are fabricated and shipped. These alterations are required not to make any change in the device as designed, but to simply allow the manufacturing equipment, often purchased and optimized for making ICs one or two generations behind, to deliver the new devices. These alterations can be classed as being of two types. |
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[[Datei:Optical proximity correction DE.svg|mini|Abbildungsfehler ohne OPC und Verbesserung mit OPC-Strukturen in der Fotomaske (Schema)]] |
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The first type is distortion corrections, namely pre-compensating for distortions inherent in the manufacturing process, be it from a processing step, such as: [[photolithography]], etching, planarization, and deposition. These distortions are measured and a suitable model fitted, compensation is carried out usually using a rule or model based algorithm. When applied to printing distortions during photolithography, this distortion compensation is known as [[optical proximity correction|Optical Proximity Correction]] (OPC). |
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Bei der ersten Art handelt es sich um Verzeichnungskorrekturen, d. h. um die Vorkompensation von Verzerrungen, die dem Herstellungsprozess innewohnen, sei es durch einen Verarbeitungsschritt wie Fotolithografie, Ätzen, Planarisierung und Abscheidung. Diese Verzerrungen werden gemessen und ein geeignetes Modell angepasst. Die Kompensation erfolgt in der Regel mithilfe eines regelbasierten oder modellbasierten Algorithmus. Bei der Anwendung in der Fotolithografie wird diese Verzerrungskompensation als [[Optical proximity correction|Optical Proximity Correction]] (OPC) bezeichnet. |
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Bei der zweiten Art der Fotomaskenverbesserung geht es darum, die Herstellbarkeit oder die Auflösung des Prozesses zu verbessern. Beispiele hierfür sind: |
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The second type of Reticle Enhancement involves actually improving the manufacturability or resolution of the process. Examples of this include: |
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* Streubalken (engl. {{lang|en|scattering bars}}): [[Unterauflösungshilfsmerkmale]] (engl. {{lang|en|subresolution assist features}}, SRAFs), die die Schärfentiefe von isolierten Merkmalen verbessern. |
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* [[Fotomaske|Phasenmasken]] (engl. {{lang|en|phase-shift masks}}): Ätzen von Quarz aus bestimmten Bereichen der Maske (alt-PSM) oder Ersetzen von Chrom durch eine phasenverschiebende [[Molybdändisilicid]]schicht (abgeschwächtes eingebettetes PSM) zur Verbesserung der CD-Kontrolle und Erhöhung der Auflösung. |
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! RET Technique |
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! Manufacturability Improvement |
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| Scattering Bars |
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| Sub resolution assist features that improves the depth of focus of isolated features. |
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| [[phase-shifting mask|Phase-shift Mask]] |
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| Etching quartz from certain areas of the mask (alt-PSM) or replacing Chrome with phase shifting Molybdenum Silicide layer (attenuated embedded PSM) to improve CD control and increase resolution |
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| [[double patterning|Double or Multiple Patterning]] |
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| Involves decomposing the design across multiple masks to allow the printing of tighter pitches. |
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Diese Verbesserungstechniken können weiter optimiert werden, indem die Auswirkung der Beleuchtung auf die Abbildung des Bildes besser verstanden werden. Daher sind auch die unterschiedlichen Beleuchtungstechniken ([[Schrägbeleuchtung]] etc.), sowie weitere Maskenoptimierungstechniken zu erwähnen. Darüber hinaus können [[Mehrfachstrukturierung|Doppel- oder Mehrfach-Strukturierung]] genutzt werden, d. h. die Aufteilung des Designs auf mehrere Masken, um die Fertigung engerer Abstände zu ermöglichen. |
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For each of these manufacturability improvement techniques there are certain layouts that either cannot be improved or cause issues in printing. These are classed as non-compliant layouts. These are avoided either at the design stage - using, for instance, Radically Restrictive Design Rules and/or creating addition DRC checks if appropriate. Both the lithographic compensations and manufacturability improvements are usually grouped under the heading resolution enhancement techniques (RET). Such techniques have been used since the 180nm node and have become more aggressively used as minimum feature size as dropped significantly below that of the imaging wavelength, currently limited to 13.5 nm.<ref>{{cite web |url=https://semiengineering.com/knowledge_centers/manufacturing/lithography/euv/ |title = EUV: Extreme Ultraviolet Lithography - Semiconductor Engineering}}</ref> |
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Bei jeder dieser Techniken zur Verbesserung der Herstellbarkeit gibt es bestimmte Layouts, die entweder nicht verbessert werden können oder Probleme bei der Abbildung verursachen. Diese werden als nicht konforme Layouts eingestuft. Sie werden entweder in der Entwurfsphase vermieden, beispielsweise durch die Verwendung von radikal restriktiven Entwurfsregeln, und/oder durch die Erstellung zusätzlicher DRC-Prüfungen, falls erforderlich. Sowohl die fotolithografischen Kompensationen als auch die Verbesserungen der Herstellbarkeit werden in der Regel unter dem englischen Begriff {{lang|en|''Resolution Enhancement Techniques''}} (RET) zusammengefasst. Dies steht in engem Zusammenhang mit der allgemeineren Kategorie [[Design for Manufacturability]] (DFM) und ist ein Teil davon. |
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This is closely related to, and a part of, the more general category of [[design for manufacturability (IC)]] or DFM. |
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Solche Techniken wurden beim 180-nm-Technologieknoten eingeführt und bei kleineren Technologieknoten zunehmend aggressiver eingesetzt, da die minimale Strukturgröße deutlich unter die der Abbildungswellenlänge (üblicherweise 193 nm) gesunken ist. Sie werden auch bei neusten EUV-Lithografieprozessen mit einer Wellenlänge von 13,5 nm eingesetzt.<ref>{{Cite web |title=EUV: Extreme Ultraviolet Lithography – Semiconductor Engineering |url=https://semiengineering.com/knowledge_centers/manufacturing/lithography/euv/}}</ref> |
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After RET, the next step in an EDA flow is usually [[mask data preparation]]. |
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== Literatur == |
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* [[Inverse lithography technology]] |
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* {{Literatur |Autor= Luciano Lavagno, Grant Martin, Louis Scheffer |Titel = Electronic Design Automation for Integrated Circuits Handbook – 2 Volume Set |Verlag= Taylor & Francis |Datum= 2006 |ISBN= 978-0-8493-3096-4}} |
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== References == |
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* {{Literatur |Autor= R. Socha |Titel = Resolution Enhancement Techniques |Sammelwerk = Photomask Fabrication Technology|Herausgeber=Benjamin G. Eynon Jr. ,Banqiu Wu| Verlag=McGraw-Hill |Datum = 2005 |Seiten= 466–468}} |
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{{Reflist}} |
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* {{Literatur |
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|Autor=Chris A. Mack |
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|Hrsg= |
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|Titel=Fundamental principles of optical lithography : the science of microfabrication |
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|Sammelwerk= |
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|Band= |
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|Nummer= |
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|Auflage= |
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|Verlag=Wiley |
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|Ort=Chichester, West Sussex, England |
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|Datum=2007 |
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|ISBN=978-0-470-72386-9 |
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|Seiten= |
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|Kapitel= 10. Resolution Enhancement Technologies}} |
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== Einzelnachweise == |
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*''Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook'', by Lavagno, Martin, and Scheffer, {{ISBN|0-8493-3096-3}} A survey of the field, from which this summary was derived, with permission. |
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<references /> |
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[[Kategorie:Halbleitertechnik]] |
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[[Category:Electronic design automation]] |
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Version vom 23. November 2022, 12:43 Uhr
Unter dem Begriff Auflösung erhöhende Techniken[1] (engl. resolution enhancement technologies, RET) werden in der Halbleitertechnik Verfahren zusammengefasst, welche die Erzeugung von Strukturen ermöglichen, die weit über die Grenzen hinausgehen, die normalerweise aufgrund des Rayleigh-Kriteriums gelten würden. Dazu werden beispielsweise die zur Herstellung integrierter Schaltkreise (ICs oder „Chips“) in fotolithografischen Prozessen eingesetzten Fotomasken verändert, um die Grenzen der optischen Auflösung der Projektionssysteme auszugleichen. Moderne Technologien ermöglichen die Erzeugung von Strukturen in der Größenordnung von 7 Nanometer (nm), was weit unter der normalen Auflösung liegt, die mit tief ultraviolettem Licht (193 nm) möglich ist.
Hintergrund
Integrierte Schaltkreise werden in einem mehrstufigen Verfahren unter Verwendung der Fotolithografie hergestellt. Die Fertigung beginnt mit der Umsetzung des entworfenen Schaltkreises in Fertigungsabschnitte, bei denen entweder vorhandenes Material auf der Oberfläche eines Siliziumwafers oder eines anderen Halbleitermaterials strukturiert (z. B. Ätzen, selektive Abscheidung) oder Material gezielt in die Oberfläche eingebracht wird (Dotierung, z. B. Ionenimplantation).
Jede Struktur eines Fertigungsabschnitts (auch als Ebene bezeichnet) des endgültigen Designs wird auf eine Fotomaske (auch Retikel genannt) aufgebracht, diese besteht zum Beispiel aus feinen Chromlinien, die auf hochgereinigtem Quarzglas gefertigt werden. Die Maske wird über dem mit einem lichtempfindlichen Fotolack beschichteten Wafer positioniert und dann mit einem intensiven UV-Licht bestrahlt. Das UV-Licht löst chemische Reaktionen in der dünnen Fotolackschicht auf der Oberfläche des Wafers aus, wodurch die Löslichkeit des Fotolacks ändert. Nach einem Entwicklungsschritt ist das fotografische Muster der Fotomaske auf dem Wafer physikalisch übertragen und kann für weitere Prozess (Ätzen, Abscheidungen, Ionenimplantation) zur Maskierung genutzt werden.
Wenn Licht auf ein Muster wie das auf einer Maske fällt, treten Beugungseffekte auf. Dies führt dazu, dass sich das scharf gebündelte Licht der UV-Lichtquelle (in modernen Anlagen ein Excimerlaser) auf der anderen Seite der Maske ausbreitet und mit zunehmendem Abstand immer unschärfer wird (vgl. Schärfentiefe). Um diese Effekte zu vermeiden, musste bei den frühen Systemen in den 1970er Jahren die Maske in direkten Kontakt mit dem Wafer gebracht werden, um den Abstand zwischen der Maske und der Oberfläche zu verringern (Kontaktbelichtung). Wenn die Maske angehoben wurde, löste sich oft die Fotolackschicht ab und der Wafer wurde ggf. unbrauchbar. Die Erzeugung eines beugungsfreien Bildes wurde schließlich durch die Projektionsausrichtsysteme gelöst, die in den 1970er und frühen 1980er Jahren die Chipherstellung dominierten.
Die stetige Verkleinerung von mikroelektronischen Strukturen (vgl. mooreschen Gesetzes) führte schließlich dazu, dass auch die Projektionsausrichtgeräte an ihre Grenzen stießen. Daher wurden Anstrengungen unternommen, die Nutzung von bestehenden Systemen zu verlängern. Dies erfolgte vorrangig, indem man die Wellenlänge der genutzten Lichtquelle verringerte (von g-Linie über i-Linie und KrF-Excimerlaser hin zu ArF-Excimerlaser) und somit höhere Auflösungen erzielte (vgl. Rayleigh-Kriterium). Aber auch diese Vorgehensweise stieß an ihre Grenzen, da Lasersysteme mit noch kleinerer Wellenlänge, z. B. F2-Excimerlaser (156 nm), auch entsprechende hochtransparente Optiken und andere Materialien (Fotolacke) benötigen, die es nicht gibt oder noch nicht in der notwendigen Qualität vorlagen.
Zu dieser Zeit wurde heftig darüber diskutiert, wie die Entwicklung hin zu kleineren Strukturen fortgesetzt werden könnte (siehe auch Next-Generation-Lithografie). Systeme mit Excimerlasern im weichen Röntgenbereich (EUV-Lithografie) waren eine Lösung, aber diese waren noch am Anfang ihrer Entwicklung, zudem auch später (Einsatz ab dem 7-nm-Technologieknoten) sehr teuer und schwierig zu handhaben. Ein alternativer Weg war, die Auflösung bestehender Systeme zu verbessern, wobei sich vorrangig auf Systeme mit KrF- und ArF-Excimerlaser konzentriert wurde.
Grundkonzept
Das Grundkonzept der verschiedenen Systeme zur Verbesserung der Auflösung ist die kreative Nutzung der Beugung an bestimmten Stellen, um die Beugung an anderen Stellen auszugleichen. Wenn sich das Licht beispielsweise an einer Linie auf der Maske beugt, entstehen eine Reihe von hellen und dunklen Linien oder „Bändern“, die das gewünschte scharfe Muster ausbreiten. Um dies auszugleichen, wird ein zweites Muster aufgetragen, dessen Beugungsmuster sich mit den gewünschten Merkmalen überschneidet und dessen Bänder so positioniert sind, dass sie die des ursprünglichen Musters überlappen, um den gegenteiligen Effekt zu erzeugen – dunkel auf hell oder umgekehrt. Mehrere Merkmale dieser Art werden hinzugefügt, und das kombinierte Muster ergibt das ursprüngliche Merkmal. In der Regel sehen diese zusätzlichen Merkmale auf der Maske wie zusätzliche Linien aus, die parallel zum gewünschten Merkmal liegen.
Seit Anfang der 2000er Jahre werden diese Funktionen ständig verbessert. Zusätzlich zur Verwendung zusätzlicher Muster kommen bei modernen Systemen phasenverschiebende Materialien, Mehrfachmusterung und andere Techniken zum Einsatz. Zusammen haben sie es ermöglicht, dass die Größe der Merkmale weiterhin auf Größenordnungen unterhalb der Beugungsgrenze der Optik schrumpfen konnte.
Verwendung der Auflösungsverbesserung
Nachdem ein IC-Design in ein physisches Layout umgewandelt, das Timing verifiziert und die Polygone als DRC-konform zertifiziert wurden, war der IC traditionell bereit für die Fertigung. Die Datendateien, die die verschiedenen Schichten repräsentieren, wurden an einen Maskenshop geschickt, der mithilfe von Maskenschreibgeräten jede Datenschicht in eine entsprechende Maske umwandelte, und die Masken wurden an die Produktionsstätte geschickt, wo sie zur wiederholten Herstellung der Designs in Silizium verwendet wurden. In der Vergangenheit war die Erstellung des IC-Layouts das Ende der Beteiligung an der Automatisierung des Elektronikdesigns (engl. electronic design automation, EDA).
Da die Merkmale, wie der Transistorgatelänge, immer kleiner wurden, wirken sich neue physikalische Effekte, die in der Vergangenheit bei der Fertigung effektiv ignoriert werden konnten, nun auf die Merkmale aus, die auf dem Siliziumwafer gebildet werden. Auch wenn das endgültige Layout die gewünschte Siliziumstruktur darstellt, kann es durch verschiedene EDA-Tools noch stark verändert werden, bevor die Masken hergestellt und ausgeliefert werden. Diese Änderungen sind nicht erforderlich, um das Bauteil in seiner ursprünglich geplanten Form zu verändern, sondern lediglich, um den Fertigungsanlagen, die oft für die Herstellung von ICs einer oder zwei Generationen später gekauft und optimiert wurden, die Möglichkeit zu geben, die neuen Bauteile zu liefern. Diese Änderungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen.
Bei der ersten Art handelt es sich um Verzeichnungskorrekturen, d. h. um die Vorkompensation von Verzerrungen, die dem Herstellungsprozess innewohnen, sei es durch einen Verarbeitungsschritt wie Fotolithografie, Ätzen, Planarisierung und Abscheidung. Diese Verzerrungen werden gemessen und ein geeignetes Modell angepasst. Die Kompensation erfolgt in der Regel mithilfe eines regelbasierten oder modellbasierten Algorithmus. Bei der Anwendung in der Fotolithografie wird diese Verzerrungskompensation als Optical Proximity Correction (OPC) bezeichnet.
Bei der zweiten Art der Fotomaskenverbesserung geht es darum, die Herstellbarkeit oder die Auflösung des Prozesses zu verbessern. Beispiele hierfür sind:
- Streubalken (engl. scattering bars): Unterauflösungshilfsmerkmale (engl. subresolution assist features, SRAFs), die die Schärfentiefe von isolierten Merkmalen verbessern.
- Phasenmasken (engl. phase-shift masks): Ätzen von Quarz aus bestimmten Bereichen der Maske (alt-PSM) oder Ersetzen von Chrom durch eine phasenverschiebende Molybdändisilicidschicht (abgeschwächtes eingebettetes PSM) zur Verbesserung der CD-Kontrolle und Erhöhung der Auflösung.
Diese Verbesserungstechniken können weiter optimiert werden, indem die Auswirkung der Beleuchtung auf die Abbildung des Bildes besser verstanden werden. Daher sind auch die unterschiedlichen Beleuchtungstechniken (Schrägbeleuchtung etc.), sowie weitere Maskenoptimierungstechniken zu erwähnen. Darüber hinaus können Doppel- oder Mehrfach-Strukturierung genutzt werden, d. h. die Aufteilung des Designs auf mehrere Masken, um die Fertigung engerer Abstände zu ermöglichen.
Bei jeder dieser Techniken zur Verbesserung der Herstellbarkeit gibt es bestimmte Layouts, die entweder nicht verbessert werden können oder Probleme bei der Abbildung verursachen. Diese werden als nicht konforme Layouts eingestuft. Sie werden entweder in der Entwurfsphase vermieden, beispielsweise durch die Verwendung von radikal restriktiven Entwurfsregeln, und/oder durch die Erstellung zusätzlicher DRC-Prüfungen, falls erforderlich. Sowohl die fotolithografischen Kompensationen als auch die Verbesserungen der Herstellbarkeit werden in der Regel unter dem englischen Begriff Resolution Enhancement Techniques (RET) zusammengefasst. Dies steht in engem Zusammenhang mit der allgemeineren Kategorie Design for Manufacturability (DFM) und ist ein Teil davon.
Solche Techniken wurden beim 180-nm-Technologieknoten eingeführt und bei kleineren Technologieknoten zunehmend aggressiver eingesetzt, da die minimale Strukturgröße deutlich unter die der Abbildungswellenlänge (üblicherweise 193 nm) gesunken ist. Sie werden auch bei neusten EUV-Lithografieprozessen mit einer Wellenlänge von 13,5 nm eingesetzt.[2]
Literatur
- Luciano Lavagno, Grant Martin, Louis Scheffer: Electronic Design Automation for Integrated Circuits Handbook – 2 Volume Set. Taylor & Francis, 2006, ISBN 978-0-8493-3096-4.
- R. Socha: Resolution Enhancement Techniques. In: Benjamin G. Eynon Jr. ,Banqiu Wu (Hrsg.): Photomask Fabrication Technology. McGraw-Hill, 2005, S. 466–468.
- Chris A. Mack: Fundamental principles of optical lithography : the science of microfabrication. Wiley, Chichester, West Sussex, England 2007, ISBN 978-0-470-72386-9, 10. Resolution Enhancement Technologies.
Einzelnachweise
- ↑ Heinrich Klar: Integrierte Digitale Schaltungen Vom Transistor zur optimierten Logikschaltung. 3. Auflage. Springer, Berlin / Heidelberg 2015, ISBN 978-3-540-69017-7, S. 111.
- ↑ EUV: Extreme Ultraviolet Lithography – Semiconductor Engineering.