Fundamentale fotoresistkemifund kunne hjælpe med at udvide Moores lov

(Phys.org) — Gennem årene, computerchips er blevet mindre takket være fremskridt inden for materialevidenskab og fremstillingsteknologier. Denne fremskridtsmarch, fordobling af transistorer på en mikroprocessor cirka hvert andet år, kaldes Moores lov. Men der er en komponent i chipfremstillingsprocessen, der trænger til et eftersyn, hvis Moores lov skal fortsætte:den kemiske blanding kaldet fotoresist. Svarende til film, der bruges til fotografering, fotoresist, også bare kaldet modstand, bruges til at fastlægge mønstrene af stadigt krympende linjer og funktioner på en chip.

Nu, i et forsøg på at fortsætte med at reducere transistorstørrelsen og samtidig øge beregningen og energieffektiviteten, Chipproducenten Intel har indgået et samarbejde med forskere fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) for at designe en helt ny slags resist. Og vigtigst af alt, de har gjort det ved at karakterisere fotoresists kemi, afgørende for yderligere at forbedre ydeevnen på en systematisk måde. Forskerne mener, at deres resultater let kunne inkorporeres af virksomheder, der gør modstand, og finde vej ind i produktionslinjer allerede i 2017.

Den nye resist kombinerer effektivt materialeegenskaberne fra to allerede eksisterende slags resist, opnå de egenskaber, der er nødvendige for at lave mindre funktioner til mikroprocessorer, som omfatter bedre lysfølsomhed og mekanisk stabilitet, siger Paul Ashby, stabsforsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Vi opdagede, at blanding af kemiske grupper, herunder tværbindere og en bestemt type ester, kunne forbedre modstanderens ydeevne." Værket er offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Nanoteknologi .

At finde en ny slags fotoresist er "en af ​​de største udfordringer, som halvlederindustrien står over for i materialerummet, " siger Patrick Naulleau, direktør for Center for X-ray Optics (CXRO) ved Berkeley Lab.

I øvrigt, der har været meget lidt forståelse af den grundlæggende videnskab om, hvordan resist faktisk virker på det kemiske niveau, siger Deirdre Olynick, stabsforsker ved Molekylærstøberiet. "Resist er en meget kompleks blanding af materialer, og det tog så lang tid at udvikle teknologien, at det at tage store spring væk fra det, der allerede er kendt, er blevet set som for risikabelt, " siger hun. Men nu kan manglen på grundlæggende forståelse potentielt sætte Moores lov i fare, tilføjer hun.

For at forstå, hvorfor modstand er så vigtigt, overvej en forenklet forklaring på, hvordan dine mikroprocessorer er lavet. En silicium wafer, omkring en fod i diameter, er renset og belagt med et lag fotoresist. Dernæst bruges ultraviolet lys til at projicere et billede af det ønskede kredsløbsmønster inklusive komponenter såsom ledninger og transistorer på waferen, kemisk ændring af resisten.

Afhængigt af typen af ​​resist, lys gør det enten mere eller mindre opløseligt, så når waferen er nedsænket i et opløsningsmiddel, de udsatte eller ueksponerede områder vaskes væk. Resisten beskytter materialet, der udgør transistorer og ledninger, mod at blive ætset væk og kan tillade materialet at blive selektivt aflejret. Denne eksponeringsproces, skyl og ætsning eller afsætning gentages mange gange, indtil alle komponenterne i en chip er blevet skabt.

Problemet med dagens modstand, imidlertid, er, at den oprindeligt er udviklet til lyskilder, der udsender såkaldt dybt ultraviolet lys med bølgelængder på 248 og 193 nanometer. Men for at få finere funktioner på chips, industrien har til hensigt at skifte til en ny lyskilde med en kortere bølgelængde på kun 13,5 nanometer. Kaldes ekstrem ultraviolet (EUV), denne lyskilde har allerede fundet vej til fremstilling af pilotlinjer. Desværre, Dagens fotoresist er endnu ikke klar til produktion i store mængder.

"Halvlederindustrien ønsker at gå til mindre og mindre funktioner, " forklarer Ashby. Selvom ekstremt ultraviolet lys er en lovende teknologi, tilføjer han, "Du har også brug for resistmaterialerne, der kan mønstre til den opløsning, som ekstrem ultraviolet kan love."

Så hold ledet af Ashby og Olynick, som omfatter Berkeley Lab postdoc-forsker Prashant Kulshreshtha, undersøgte to typer modstand. Den ene kaldes tværbinding, composed of molecules that form bonds when exposed to ultraviolet light. This kind of resist has good mechanical stability and doesn't distort during development—that is, tall, thin lines made with it don't collapse. But if this is achieved with excessive crosslinking, it requires long, expensive exposures. The second kind of resist is highly sensitive, yet doesn't have the mechanical stability.

When the researchers combined these two types of resist in various concentrations, they found they were able to retain the best properties of both. The materials were tested using the unique EUV patterning capabilities at the CXRO. Using the Nanofabrication and Imaging and Manipulation facilities at the Molecular Foundry to analyze the patterns, the researchers saw improvements in the smoothness of lines created by the photoresist, even as they shrunk the width. Through chemical analysis, they were also able to see how various concentrations of additives affected the cross-linking mechanism and resulting stability and sensitivity.

The researchers say future work includes further optimizing the resist's chemical formula for the extremely small components required for tomorrow's microprocessors. The semiconductor industry is currently locking down its manufacturing processes for chips at the so-called 10-nanometer node. Hvis alt går godt, these resist materials could play an important role in the process and help Moore's Law persist.