IBM изобрела 29,9-нм техпроцесс

Похоже, что конец эпохи традиционной технологии изготовления микросхем на основе процесса литографии переносится на неопределённое время, и всем альтернативным дорогостоящим технологиям придётся подождать ещё с десяток лет. Поводом для оптимизма служит новейшее достижение инженеров компании IBM, работающих над совершенствованием технологии оптической литографии. 20 февраля 2006 года на конференции SPIE Microlithography 2006, проходящей в калифорнийском городе Сан-Хосе, компания IBM объявила о создании самых миниатюрных линейных шаблонов, с использованием 193-нанометровой ("ультрафиолетовой") оптической литографии.

Как известно, микрочипы производятся при помощи процесса фотолитографии. Этот процесс переносить изображение кристалла на кремниевую пластину путём его проецирования на кремний лучом лазера, проходящим через теневую маску.

 

 

Изображение фиксируется на пластине благодаря фоточувствительному материалу "фоторезисту", которым она покрыта. С миниатюриацией кристаллов всё большие требования предъявляются и к процессу литографии: сначала использовались более лазеры с как можно более короткой длиной волны, затем мощные оптические системы, а теперь мы приходим к использованию воды в качестве промежуточной среды между объективом и лазером.

Когда свет проходит через прозрачный материал, его скорость замедляется пропорционально коэффициенту преломления этого материала. Свет, проходящий через материал с высоким коэффициентом преломления, имеет меньшую длину волны, поэтому он может быть сфокусирован более точно. Разрешение иммерсионной ("погружной") литографии ограничивается как раз максимально низким коэффициентом преломления оптики, жидкости и материала-фоторезиста.

Новая методика основана на экспериментальной модификации иммерсионной литографии, при которой кремниевые пластины погружаются в очищенную воду. Вода применяется в этом процессе из-за того, что она имеет более высокий коэффициент преломления, чем воздух, что, в свою очередь, позволяет добиться повышенного разрешения. Сфокусированный лазерный луч, проходя через специальную теневую маску-"трафарет", падает в определённом месте на пластину, создавая изображение, которое закрепляется на кремнии в результате химической реакции.

В экспериментах IBM с использованием изготовленной учёными установки, получившей звучное название NEMO, оптика и жидкость имеют коэффициент преломления порядка 1,6; а коэффициент преломления фоторезиста составил 1,7. Среди целей ходе дальнейших исследований - разработка оптической системы, жидкости и фоторезистивного материала с коэффициентом преломления 1,9, что позволит добиться ещё большего разрешения.

В установке NEMO лазерный луч разделяется на два, а затем эти лучи перекрещиваются, создавая интерференционную картину или интерферограмму, позволяющую при помощи стандартного процесса иммерсионной литографии добиться более близкого расположения соседних линий на пластине. Опытная установка, по мнению её разработчиков, идеально подходит для исследований, испытаний и подбора различных жидкостей с высоким коэффициентом преломления, а также фоторезистов для использования в литографических аппаратах будущего.

Благодаря применению метода погружения, специалисты IBM смогли получить чёткие выпуклые линии шириной всего 29,9 нм, разделённые одинаковыми пробелами. Как подчёркивают в IBM, эти линии примерно в три тысячи раз тоньше человеческого волоса. Кроме того, полученные проводники примерно втрое меньше используемых сегодня в рамках серийного 90-нанометрового технологического процесса и меньше, чем позволяет получить 32-нанометровая технология, которая до последнего времени считалась теоретическим пределом для оптической литографии.

На снимках, распространяемых исследовательским центром Альмаден, можно увидеть 29,9-нанометровые линии (слева) и 90-нанометровые линии (справа), которые приведены для сравнения.

По словам менеджера по литографическим материалам исследовательского центра Альмадена корпорации IBM Роберта Аллена, цель учёных заключается в том, чтобы максимально использовать все возможности оптической литографии, промышленные предприятия продолжали использовать эту технологию и не были вынуждены переходить на какие-либо другие дорогие альтернативные технологии без острой на то необходимости. Достигнутые результаты, по словам Аллена, явственно свидетельствуют о том, что в запасе у производителей есть ещё не менее семи лет до того момента, когда потребуются радикальные изменения в технологии выпуска микросхем,

В экспериментах использовался 193-нанометровый иммерсионный сканер производства голландской компании ASML Holding NV. Матрица, состоящая из линий шириной 29,9 нм и равных промежутков между ними, была получена на литографической установке, сконструированной и построенной в исследовательском центре Альмадена корпорации IBM с использованием новых материалов, разработанных калифорнийской компанией JSR Micro. В частности, в установке используются специально разработанная жидкость, особая призма и специальная фоторезистивная система.

Первые технические подробности о новой технологии будут представлены на конференции SPIE Microlithography 2006. Технический менеджер JSR Micro Марке Слезак заявил о своей уверенности в том, что получение изображений при помощи жидкости с высоким коэффициентом преломления позволит выйти за пределы возможностей современной оптической литографии, преодолевая барьеры в 45 и 32 нанометра. Достигнутый результат даёт нам точку отсчёта для дальнейшего совершенствования оптической погружной литографии. Роберт Аллен из IBM отмечает, однако, что для получения 22-нанометровой точности потребуются другие жидкости, другая оптика и другие фоторезистивные материалы, о которых ничего определённого пока сказать невозможно.

Новая разработка позволит производителям микросхем сэкономить огромные средства на внедрение альтернативных технологий производства. Достаточно отметить, что современное оборудование для оптической литографии, которое с некоторыми доработаками вполне годится для работы с новым технологическим процессом, стоит не менее 15 миллионов долларов. Однако таким оборудованием уже оснащены все предприятия по выпуску микрочипов, поэтому его владельцам придётся тратиться лишь на специальные материалы. На фоне общей стоимости оснащения производства цена доработки представляется незначительной. Кроме того, пока не известно, сколько могло бы стоить оборудование для выпуска микросхем на базе альтернативных технологий, но очевидно, что оно было бы, по крайней мере, на первых порах, существенно дороже литографического.

В новой методике используется ультрафиолетовый лазер с длиной волны 193 нм. Эта технология восходит корнями к разработанной несколько лет назад инженерами IBM технологии рентгеновской литографии (X-ray litography), которая оказалась слишком дорогостоящей. Позднее такие компании, как AMD, Intel и всё та же IBM предложили более экономически оправданный метод использования ультрафиолетовых лучей - такая технология получила название EUV (Extreme Ultra Violet lithography - "литография с использованием базе свехультрафиолетовых лучей"). Однако внедрение этой технологии всё время откладывалось, и до сих пор системы на базе EUV не нашли применения в промышленности. По мнению специалистов, широкое применение этой технологии будет иметь смысл лишь тогда, когда возникнет необходимость в 22-нанометровых проектных нормах микропроцессоров. Такие компании, как Chartered Semiconductor, IBM, Samsung, Texas Instruments и TSMC уже объявили о планах по переходу на иммерсионную технологию. Впрочем, по некоторым оценкам, этой технологией уже в 2009-2010 годах может воспользоваться Intel для выпуска чипов на базе 32-нанометрового техпроцесса. Вместе с тем представители этой корпорации подчёркивают, что для выпуска её микросхем по 45-нанометровой технологии будут использоваться обычная "сухая" литография.

Всё говорит о том, что иммерсионная литография, наконец, получила путёвку в жизнь. "Большой тройкой" в литографической промышленности считаются компании ASML Holding NV, Canon и Nikon, и все три лидера работают над совершенствованием иммерсионной литографии. Буквально на днях японская компания Nikon объявила о поставке первой в мире серийной высококачественной системы для иммерсионной литографии. Это событие можно считать важной вехой в развитии технологии - впервые выпущен серийный сканер, рассчитанный на иммерсионный, а не на традиционный "сухой" технологический процесс.

Установка под названием NSR-S609B представляет собой ультрафиолетовый 193-нанометровый сканер с объективом, имеющим апертуру 1,07. Это устройство предназначено для серийного производство микросхем по 55-нанометровой технологии, а также для разработки чипов на основе 45-нанометровых технологических норм.

По некоторым сведениям, эта установка была поставлена фирме Toshiba, хотя в самой Nikon отказываются раскрывать сведения о заказчике. В пользу информации о том, что покупателем NSR-S609B выступила именно Toshiba, говорит тот факт, что этой фирме как раз требовалось оборудование для выпуска флэш-памяти типа NAND ("НЕ-И") на основе 55-нанометрового техпроцесса. Кроме того Toshiba и её партнёр SanDisk объявили в начале февраля, что они планируют увеличить капиталовложения в свою японскую фабрику в Йоккайчи. Эта фабрика специализируется на выпуске флэш-памяти типа NAND по 90-нанометровой технологии. В Toshiba планируют перейти на 70-нанометровую технологию в течение февраля 2006 года, а на 52-наометровую - до марта 2007 года. По всем признакам, новая установка Nikon отлично вписывается в эти планы.

Как видим, фотолитография не торопится сдавать свои позиции. Более того, учёные полагают, что у этой технологии производства огромный потенциал, о чём свидетельствует как переход к иммерсионному процессу литографии, так и последние достижения исследователей из IBM, развивающих эту технологию. Прогнозы пессимистов не сбываются: традиционные микросхемы будут сопровождать нас ещё долго, а затем, скорее всего, им на смену придут уже принципиально другие чипы, выполненные с использованием совершенно иных нанотехнологий.

---

При подготовке статьи использовались материалы корпорации IBM