Forbedrende materialer til højopløsningsmønstre for at fremme mikroelektronikken

For at øge behandlingshastigheden og reducere strømforbruget af elektroniske enheder, mikroelektronikindustrien fortsætter med at presse på for mindre og mindre funktionsstørrelser. Transistorer i nutidens mobiltelefoner er typisk 10 nanometer (nm) på tværs - svarende til omkring 50 siliciumatomer brede - eller mindre. Skalering af transistorer ned under disse dimensioner med højere nøjagtighed kræver avancerede materialer til litografi - den primære teknik til udskrivning af elektriske kredsløbselementer på siliciumwafers til fremstilling af elektroniske chips. En udfordring er at udvikle robuste "resists, " eller materialer, der bruges som skabeloner til at overføre kredsløbsmønstre til enhedens anvendelige substrater såsom silicium.

Nu, forskere fra Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - har brugt den nyligt udviklede teknik til infiltrationssyntese til at skabe resists, der kombinerer den organiske polymer poly(methylmethacrylat) ), eller PMMA, med uorganisk aluminiumoxid. På grund af dens lave omkostninger og høje opløsning, PMMA er den mest udbredte resist i elektronstrålelitografi (EBL), en slags litografi, hvor elektroner bruges til at skabe mønsterskabelonen. Imidlertid, ved de resisttykkelser, der er nødvendige for at generere de ultrasmå funktionsstørrelser, mønstrene begynder typisk at nedbrydes, når de ætses til silicium, ikke at producere det krævede høje billedformat (højde til bredde).

Som rapporteret i et papir offentliggjort online den 8. juli i Journal of Materials Chemistry C , disse "hybride" organisk-uorganiske resists udviser en høj litografisk kontrast og muliggør mønsterdannelse af højopløselige siliciumnanostrukturer med et højt billedformat. Ved at ændre mængden af ​​aluminiumoxid (eller et andet uorganisk grundstof), der infiltreres i PMMA, forskerne kan justere disse parametre til bestemte applikationer. For eksempel, næste generations hukommelsesenheder såsom flashdrev vil være baseret på en tredimensionel stackstruktur for at øge hukommelsestætheden, så et ekstremt højt billedformat er ønskeligt; på den anden side, en meget høj opløsning er den vigtigste egenskab for fremtidige processorchips.

"I stedet for at tage en helt ny syntesevej, vi brugte en eksisterende resist, et billigt metaloxid, og almindeligt udstyr, der findes i næsten alle nanofabrikationsanlæg, " sagde førsteforfatter Nikhil Tiwale, en postdoktoral forskningsmedarbejder i CFN Electronic Nanomaterials Group.

Selvom andre hybride resists er blevet foreslået, de fleste af dem kræver høje elektrondoser (intensiteter), involverer komplekse kemiske syntesemetoder, eller har dyre proprietære sammensætninger. Dermed, disse resists er ikke optimale til den høje sats, højvolumen fremstilling af næste generations elektronik.

Avanceret nanolitografi til fremstilling af store mængder

Konventionelt, mikroelektronikindustrien har stolet på optisk litografi, hvis opløsning er begrænset af bølgelængden af ​​lys, som resisten bliver udsat for. Imidlertid, EBL og andre nanolitografiteknikker såsom ekstrem ultraviolet litografi (EUVL) kan skubbe denne grænse på grund af den meget lille bølgelængde af elektroner og højenergi ultraviolet lys. Den største forskel mellem de to teknikker er eksponeringsprocessen.

"I EBL, du skal skrive alt det område, du skal bruge for at eksponere linje for linje, lidt som at lave en skitse med en blyant, " sagde Tiwale. "Derimod, i EUVL, du kan eksponere hele området i ét skud, svarende til at tage et billede. Fra dette synspunkt, EBL er fantastisk til forskningsformål, og EUVL er bedre egnet til fremstilling af store mængder. Vi mener, at den tilgang, vi demonstrerede for EBL, kan anvendes direkte på EUVL, som virksomheder inklusive Samsung for nylig er begyndt at bruge til at udvikle fremstillingsprocesser til deres 7 nm teknologiknudepunkt."

I dette studie, forskerne brugte et atomic layer deposition (ALD) system - et standard stykke nanofabrikationsudstyr til at afsætte ultratynde film på overflader - til at kombinere PMMA og aluminiumoxid. Efter at have anbragt et substrat belagt med en tynd film af PMMA i ALD-reaktionskammeret, de introducerede en damp af en aluminiumprecursor, der diffunderede gennem små molekylære porer inde i PMMA-matrixen for at binde sig til de kemiske arter inde i polymerkæderne. Derefter, de introducerede en anden precursor (såsom vand), der reagerede med den første precursor for at danne aluminiumoxid inde i PMMA-matrixen. Disse trin udgør tilsammen én behandlingscyklus.

Holdet udførte derefter EBL med hybride resists, der havde op til otte behandlingscyklusser. For at karakterisere kontrasten af ​​resists under forskellige elektrondoser, forskerne målte ændringen i resisttykkelse inden for de udsatte områder. Overfladehøjdekort genereret med et atomkraftmikroskop (et mikroskop med en atomisk skarp spids til sporing af en overflades topografi) og optiske målinger opnået gennem ellipsometri (en teknik til bestemmelse af filmtykkelse baseret på ændringen i polariseringen af ​​lys reflekteret fra en overflade) afslørede, at tykkelsen ændres gradvist med et lavt antal behandlingscyklusser, men hurtigt med yderligere cyklusser - dvs. et højere indhold af aluminiumoxid.

"Kontrasten refererer til, hvor hurtigt modstanden ændrer sig efter at være blevet udsat for elektronstrålen, " forklarede Chang-Yong Nam, en materialeforsker i CFN Electronic Nanomaterials Group, der overvågede projektet og udtænkte ideen i samarbejde med Jiyoung Kim, en professor i afdelingen for materialevidenskab og teknik ved University of Texas i Dallas. "Den bratte ændring i højden af ​​de eksponerede områder tyder på en stigning i resistkontrasten for højere antal infiltrationscyklusser - næsten seks gange højere end den oprindelige PMMA-resist."

Forskerne brugte også hybridresists til at mønstre periodiske lige linjer og "albuer" (skærende linjer) i siliciumsubstrater, og sammenlignede ætsningshastigheden af ​​resistene med substrater.

"Du ønsker, at silicium skal ætses hurtigere end resisten; ellers begynder resisten at nedbrydes, " sagde Nam. "Vi fandt ud af, at ætseselektiviteten af ​​vores hybridresist er højere end for dyre proprietære resists (f.eks. ZEP) og teknikker, der bruger et mellemliggende "hårdt" maskelag såsom siliciumdioxid for at forhindre mønsternedbrydning, men som kræver yderligere behandlingstrin."

Fremadrettet, holdet vil undersøge, hvordan hybrid-resists reagerer på EUV-eksponering. De er allerede begyndt at bruge bløde røntgenstråler (energiområde svarende til bølgelængden af ​​EUV-lys) ved Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), og håber at bruge en dedikeret EUV-strålelinje, der drives af Center for X-ray Optics ved Lawrence Berkeley National Labs Advanced Light Source (ALS) i samarbejde med industripartnere.

"Energiabsorptionen af ​​det organiske lag af EUVL-resists er meget svag, " sagde Nam. "Tilføjelse af uorganiske elementer, såsom tin eller zirconium, kan gøre dem mere følsomme over for EUV-lys. Vi ser frem til at udforske, hvordan vores tilgang kan imødekomme kravene til modstandsevne i EUVL."