Nieuw type fotolak pakt defecten in 5-nanometerchips aan

Reading time: 3 minutes

Author:

Bij fabrikanten van geavanceerde chips verschuift de aandacht voorzichtig van de tools naar de processen: de machines benaderen de productiespecs, maar hoe maken we er werkende chips mee? De Britse startup Irresistible Materials denkt de sleutel voor defectvrije 5-nanometerchips in handen te hebben.

Het was hét onderwerp op de SPIE Advanced Lithography Conference afgelopen februari: hoe krijgen we 5-nanometerchips foutvrij (zie ook het artikel over de SPIE dit jaar)? Duidelijk is dat meer fotonen op de wafer het probleem zal verminderen, maar waarschijnlijk niet helemaal gaat verhelpen. De dimensies van chipstructuren zijn inmiddels zo gering dat niet-uniforme distributies in materialen en chemische processen roet in het eten gooien.

Met name in de fotolak speelt dat op. In de tegenwoordig veelgebruikte chemically amplified resists (car) maakt een foton een zuur molecuul vrij, dat de decompositie van een polymeer katalyseert. Typisch gaat het zuurdeeltje honderd tot duizend reacties mee voordat het wordt gedeactiveerd. Dat gebeurt meestal als het op een speciaal daartoe toegevoegde verbinding stuit, de quencher. In de etsstap daarna worden de brokstukken weggewassen, waardoor het bedoelde patroon in het achterblijvende polymeer verschijnt.

Dit mechanisme werkt alleen als de componenten in de fotolak voldoende gelijkmatig zijn verdeeld in de dunne film op de wafer. In het extreme geval dat al het zuur zich aan de ene zijde en al de quencher zich aan de andere zijde bevindt, zou al het polymeer worden geconsumeerd en geen enkel patroon zichtbaar worden.

Zoiets zal natuurlijk nooit gebeuren, want alle bestanddelen worden goed gemengd. Maar in de moeilijkste lagen van 5-nanometerchips zijn sommige structuurtjes zo klein dat op een cruciale plek een statistische aberratie in de verdeling van de moleculen al tot patroonfouten kan leiden. Zulke afwijkingen zijn op zichzelf zeldzaam, maar omdat één fout een hele chip kan verpesten en er miljarden en miljarden structuren op een wafer worden geprojecteerd, loopt de opbrengst toch ernstig gevaar.

16-nanometerlijnpatronen

Het Britse Irresistible Materials denkt de chipindustrie uit de brand te kunnen helpen. De spinoff van de University of Birmingham ontwikkelde een multi-trigger resist, een fotolak die meer dan één prikkel nodig heeft om de chemische kettingreactie te starten. Fotonen genereren nog steeds een zuur, en dat reageert nog steeds met het polymeer, maar alleen waar twee zuur-polymeercomplexen zich in elkaars nabijheid bevinden, gaat de reactie verder en kan die specifieke plek als ‘belicht’ worden beschouwd.

‘Dit mechanisme zorgt ervoor dat patronen scherper en betrouwbaarder worden afgebeeld’, vertelt cto Alex Robinson van Irresistible Materials. ‘Ver van de randjes valt het meeste licht, zodat er veel geactiveerde complexen ontstaan, die elkaar makkelijk tegenkomen. Dicht bij de randjes komen minder fotonen terecht, waardoor een geactiveerd complex minder makkelijk een partner vindt. Het effect is dat de reactie zich daar als het ware meer beheerst voltrekt. Dat resulteert in scherper gedefinieerde randen.’

Irresistible Materials werkt met Imec en enkele halfgeleiderbedrijven om zijn recept te testen en te verfijnen. Het bedrijf claimt consistent 16-nanometerlijnpatronen van goede kwaliteit te produceren, een basiseis voor 5-nanometerchips. ‘We willen nu 14-nanometerresolutie demonstreren en het systeem optimaliseren. We hebben er veel vertrouwen in dat we erin zullen slagen een volwassen product te ontwikkelen, maar we hebben nog een lange weg te gaan’, geeft ceo David Ure van Irresistible Materials toe.

Werking van een multi-trigger resist: alleen als twee door zuur geactiveerde complexen elkaar vinden, voltrekt zich de chemische reactie waarop de werking van fotolak berust. Bij een standaard fotolak volstaat één zuur-polymeercomplex.