Halbleitertechnologie 06.11.2009, 19:43 Uhr

Chip-Lithografie steht mit extremem UV-Licht vor dem Systemwechsel  

Wie das Moore“sche Gesetz es befiehlt, sind die Chiphersteller auf dem steinigen Weg zu 32- und 22-Nanometer-Chips. Ab 2013, so die recht optimistische Prognose, sollen die ersten Bausteine mit Strukturgrößen von 22 nm am Markt erscheinen – belichtet mit extremem UV-Licht (EUV). VDI nachrichten, Düsseldorf, 6. 11. 09, jdb

Vor dem Erfolg mit 22-nm-Chips stehen noch harte Forschungsarbeit und hoher Kapitaleinsatz. „Es ist wie vor 40 Jahren, als es galt, einen Menschen auf den Mond zu bringen“, urteilt ein langjähriger Beobachter des Hightechrennens. Und obwohl die Chipindustrie wie immer in geschlossener Formation mit den Material- und Tool-Lieferanten dem neuen „node“ entgegengeht, werden sich nicht alle daran beteiligen. Denn für diese Strukturen benötigt man wohl ein ganz neues Lithographieverfahren zur Aufbelichtung der Schaltungsstrukturen auf die Wafer: mit extrem kurzwelligem Licht an der Grenze zur Röntgenstrahlung: EUV (Extreme Ultra Violet).

Bislang ist bekannt, dass Intel und IBM, Hynix, Toshiba und die taiwansche Foundry TSMC per EUV in die 22-nm-Ära vorstoßen wollen. Geforscht wird an der University at Albany (UAlbany) im US-Staat New York und in Europa beim belgisch-flämischen Forschungszentrum IMEC in Leuven.

Derzeit ist schwer zu sagen, wer vorn liegt bei der EUV-Lithografie. Immerhin kann Kurt Ronse, Programmdirektor für die Lithographie bei IMEC, auf brauchbare 30-nm-Strukturen verweisen. Die ersten kommerziellen 22-nm-Schaltungen dürften laut Ronse Flash-Bausteine sein, vielleicht schon 2012 oder 2013, in weitem Abstand gefolgt von den Drams und logikhaltigen Chips. Was IMEC zugutekommt, ist die räumliche Nähe zum derzeit führenden Hersteller von EUV-Tools: ASML, einem frühen Spin-off von Philips, heute NXP, in Veldhoven.

Seit 15 Monaten nutzt IMEC ein „EUV Alpha Demo Tool“ – schon der Name deutet auf dessen höchst experimentellen Status hin – von ASML und erforscht die ebenso kritischen wie strittigen Fragen der Kommerzialisierung von EUV. Das andere Demo-Tool wurde, aus Fairness gegenüber potenziellen Kunden, an die UAlbany geliefert: Dort ist der „IBM Fab Club“ zu Hause.

Was die EUV-Lithografie mit ihren extrem kurzen Wellenlängen von 13,5 nm so schwierig macht und zu immer längeren Aufschüben geführt hat, ist das Fehlen transparenter Objektive zum Durchleuchten der Schaltungsmasken und zur Strahlfokussierung auf den Wafer. Die gesamte Optik arbeitet reflexiv, mit Spiegeln. Außerdem, wegen der extremen Reinraumbedingungen, hermetisch abgeschlossen im Vakuum.

Doch das größte Problem der Kommerzialisierung ist derzeit die Lichtleistung der LPP-Lichtquellen (Laser-produced Plasma) für EUV. Sie sollten mit mindestens 100 W, wenn nicht 200 W strahlen. Nur so ließe sich ein ökonomisch vertretbarer Durchsatz von ca. 60 300-mm-Wafern pro Stunde erreichen. Bislang liefert die beste, kürzlich von Cymer vorgestellte LPP-Quelle 75 W.

Weitere gravierende Probleme: die Defektraten der (reflexiven) Masken und die Auflösung der Resistmaterialien auf dem Wafer. Da fehlt es an industriellen Infrastrukturen. Alles ist im Labor erarbeitet. Ob die EUV-Lithographie, wie erhofft, in drei Jahren produktionsreif ist, bleibt somit immer noch fraglich. Bei IMEC ist man optimistisch: „Für Massenprodukte wie Logikchips“, sagt Luc Van den hove, seit Mitte des Jahres IMEC-Vorstand, „halten wir EUV für die einzig nachhaltige Lösung.“

Einiges kann IMEC als Demonstratoren zeigen, so eine per EUV-erzeugte Sram-Zelle mit 22-nm-Strukturen auf rekordverdächtig kleiner Fläche von 0,099 µm². Auch die Architektur mit FinFETs, Transistoren mit mehreren Gates, die den lamellenartig geformten Ladungsträgerkanal mehrseitig umgeben, kommt als Zukunftstechnologie zum Einsatz. WERNER SCHULZ

Ein Beitrag von:

  • Werner Schulz

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