Yarı iletken üretiminde hata oranlarını düşürmek ve verimliliği artırmak, üreticiler ve tasarımcılar için en önemli zorluklardan biridir. Zira çip üretim süreçleri binlerce adımdan oluşur ve her bir adım, hata oranlarını ve nihai ürün verimliliğini doğrudan etkileyebilir. Çin'deki üniversitelerden araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir keşif, geliştirme aşamasında 'direnç' adı verilen malzemenin davranışını ve özellikle sonrasında uygulanan ısıl işlem (post-exposure bake - PEB) adımının, bazı durumlarda hata yoğunluğunu %99'a kadar azaltabileceğini ortaya koydu. Bu bulgular, Nature dergisinde yayımlanan bir makalede detaylandırılıyor.
Pekin Üniversitesi ve Tsinghua Üniversitesi'nden araştırmacılar, desen oluşumu sırasında (geliştirme adımı) 'direnç' moleküllerinin nasıl çözündüğünü, hareket ettiğini ve birbirine dolandığını görselleştirmeyi başardı. Bu amaçla ekip, 'kriyojenik elektron tomografisi' (cryo-ET) yöntemini kullanarak, direnç polimerlerinin hidrasyonlu haldeki 3D yapısını 5 nanometrenin altı çözünürlükte yeniden oluşturdu.
Araştırma, direnç moleküllerinin büyük çoğunluğunun, çözelti içinde eşit dağılmak yerine gaz-sıvı arayüzünde kümelendiğini ve bu kümelenmenin hatalara yol açtığını gösterdi. Bilim insanları, geliştirme sonrası ısıl işlem (PEB) sıcaklığında yapılan hafif bir artışın (kendi çalışmalarında 95°C'den 105°C'ye) ve sürekli bir geliştirici tabakasının korunmasının bu kümelenmeleri önleyerek, mevcut dirençler ve Derin Ultraviyole (DUV) ekipmanları kullanılarak 300mm'lik wafer'larda hata yoğunluğunu %99'dan fazla azalttığını iddia ediyor.
Ancak bu çarpıcı iddialara rağmen, araştırmanın pratik uygulanabilirliği konusunda bazı şüpheler bulunuyor. Yarı iletken üreticileri, en iyi sonuçları elde etmek için her işlem teknolojisi için PEB sıcaklıklarını büyük bir titizlikle seçerler. Bu durum, araştırmanın pratik etkisini sınırlayabilecek bir faktör olarak öne çıkıyor.
Keşfedilen süreci daha anlaşılır kılmak için litografi adımındaki tipik adımları sıralayalım:
- Kaplama: Wafer, bir direnç malzemesi ile kaplanır.
- Pozlama: Ultraviyole (UV) veya Derin Ultraviyole (DUV) ışığı, bir maske aracılığıyla direncin belirli bölgelerini ışıkla buluşturur.
- Pozlama Sonrası Isıl İşlem (PEB): Pozlanmış direnç, çözünürlüğünü değiştiren asit katalizli kimyasal reaksiyonları aktive etmek için hafifçe ısıtılır.
- Geliştirme: Wafer, bir geliştirici çözelti ile durulanır. Bu çözelti, direncin türüne bağlı olarak ışıkla temas etmiş veya etmemiş kısımlarını çözer ve ince bir geliştirici sıvı filmi oluşturarak desenlerin oluşmasını sağlar. Bu adım, mevcut araştırmanın odak noktasıdır.
- Durulama ve Kurutma: Kalan desen temizlenir ve sonraki işlemler için kurutulur.
Araştırmanın geliştirme aşamasında ortaya koyduğu bulguya göre, direnç molekülleri zayıf, geri dönüşümlü etkileşimler yoluyla mikroskobik kümeler oluşturuyor. Bu kümeler, işlenmiş yarı iletken wafer'larda görülen desen hatalarının gizli kaynağı olarak belirlenmiş.
Gizli Bir Süreç Ortaya Çıktı
Daldırmalı litografi ve DUV gibi teknolojilerde, geliştirici sıvının ince filmi, ışıkla uyarılmış direnç bölgelerini çözerek deseni wafer'a aktarır. Bu süreç endüstri genelinde bilinse de, kimyasal olarak güçlendirilmiş dirençlerin (CARs) desen geliştirme sırasındaki mikroskobik davranışları hakkında net bir anlayış yoktu. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi mevcut yöntemler sadece kurumuş kalıntıları veya dolaylı etkileri gözlemleyebiliyordu. Bu nedenle, süreç mühendisleri genellikle direnç kimyası ve geliştirici bileşimini deneme yanılma yoluyla ayarlamak zorunda kalıyordu, çünkü dirençlerin geliştirme sırasındaki gerçek zamanlı davranışı daha önce hiç gözlemlenmemişti.
Araştırmacılar, SEM veya atomik kuvvet mikroskobu yerine, genellikle yapısal biyolojide donmuş haldeki hücreleri, protein komplekslerini veya virüsleri incelemek için kullanılan bir kriyojenik elektron tomografi cihazı ile dirençlerin geliştirici sıvı içindeki davranışını nanometre çözünürlüğünde görselleştirdi. Bu amaçla, numune hazırlama, vitrifikasyon hızı (bir sıvının kristalleşmeden katı hale geçtiği soğutma hızı) ve elektron demeti kontrolü gibi konularda büyük çaba sarf ettiler.
Araştırmada kullanılan direnç, 193nm daldırmalı ve 13.5nm DUV litografi gibi yaygın olarak kullanılan polimetakrilat bazlı bir CAR idi.
Bir Gözlem
Kriyojenik elektron tomografisi görüntülemesi, CAR polimerlerinin (doğal sıvı hallerinde dondurulmuş) esnek, iplik benzeri zincirler olarak korunduğunu ve rastgele kıvrımlı şekillere sahip olduğunu ortaya koydu. Polimer yoğunluğu analizi, derinlikle birlikte konsantrasyonun keskin bir şekilde azaldığını gösterdi. 25nm-100nm kalınlığındaki filmlerde, polimer kütlesinin yaklaşık %80'i gaz-sıvı arayüzüne yakın bir yerde birikiyordu. Bu durum, uzun süredir devam eden varsayımların aksine, direnç polimerlerinin geliştirici içinde eşit olarak dağılmadığını, ancak filmin yüzeyinde yoğunlaştığını ve daha sonra desen hatalarına neden olan kümeler oluşturduğunu gösterdi. Diğer direnç türlerinde de (örneğin, 248nm ve 365nm pozlama için tasarlanmış olanlar) aynı desen gözlemlendi, ancak bu durum yakın zamana kadar bir sorun teşkil etmiyordu. Sadece geliştirici içeren kontrol numunelerinde yüzey sinyali görülmedi, bu da etkinin polimerlerin kendisinden kaynaklandığını doğruladı.
Daha ileri 3D rekonstrüksiyonlar (farklı eğim açılarında çekilen yüzlerce düşük dozlu elektron görüntüsünün birleşimi), film içinde 12nm uzunluğundaki polimer zincirlerinin çoğunlukla ayrı kaldığını, ancak yüzeye yakın yerlerde 30-40nm boyutlarında kümelere dönüştüğünü gösterdi. Bu boyutlar, modern teknolojilerdeki kritik hataların boyutlarından oldukça büyüktür.
Ancak bu kümeler ısı ile geri döndürülebilir nitelikte olup, gerçek hayatta gözlemlenmezler. Nitekim modern çiplerdeki kritik hatalar bir büyüklük mertebesi daha küçüktür, bu da CAR moleküllerinin kümelerinin zaten önde gelen çip üreticileri tarafından en gelişmiş çiplerinde giderildiğini düşündürmektedir.
Ayrıca, pozlama sonrası ısıl işlem (PEB) sıcaklığını 95°C'den 105°C'ye yükseltmek, birleştirici etkileşimleri bozarak bazı kusurların giderilmesine yardımcı olsa da, bu, DUV litografi üzerine kurulan modern üretim süreçleri için kesinlikle verimlilik düşürücüdür.
DUV İçin İyi, EUV İçin Felaket
Derin Ultraviyole (DUV, 193nm daldırmalı) litografide, yaklaşık 105°C'deki bir PEB, polimetakrilat bazlı CAR'lar için normal çalışma aralığında yer alır. Bu dirençler yaklaşık 20-40nm genişliğinde özellikler oluşturur ve asit difüzyon uzunlukları (yaklaşık 10-20nm), çözünürlüğü koruyacak kadar bu özelliklere göre küçüktür. 105°C'de ek termal enerji, polimer hareketliliğini ve asit difüzyonunu hafifçe artırır, bu da daha tam kimyasal reaksiyon ve geliştirme sırasında daha pürüzsüz çözünmeyi sağlayarak kalıntıları azaltmaya ve desen düzgünlüğünü iyileştirmeye yardımcı olur, böylece hataları azaltır ve verimliliği korur. Bununla birlikte, bazı durumlarda 105°C civarındaki bir PEB, çizgi kenarı pürüzlülüğünü (LER) ve çizgi genişliği pürüzlülüğünü (LWR) artırabilir. Bu da kritik boyut düzgünlüğünün (CDU) bozulmasına yol açar, bu da kritik katmanlar için kullanılmaması gerektiği anlamına gelir.
Ancak, EUV (13.5nm) litografide durum tamamen farklıdır. EUV dirençleri, asit hareketliliği ve reaksiyon tamamlama arasındaki hassas dengeyi sağlamak ve kritik boyut kontrolünü korumak için tipik olarak 80°C–95°C'de ısıtılır. EUV CAR'larının 13nm gibi küçük özellikler tanımlaması gerekir, bu nedenle birkaç nanometrelik bir asit yayılımı bile desen doğruluğunu bozabilir. PEB sıcaklığını 105°C'ye yükseltmek, asit difüzyonunu büyük ölçüde hızlandıracak, reaksiyon bölgesini genişletecek ve LER/LWR'yi önemli ölçüde artıracaktır. Bu da EUV pozlamasıyla tanımlanan ince desenleri bulanıklaştıracak ve potansiyel olarak hatalara yol açacaktır. Aynı zamanda CAR polimer zincirlerinin düzensiz aşırı reaksiyonu yoluyla stokastik varyasyonu artırır, bu da başka hatalara neden olur.
Özetle
Araştırma, direnç polimerlerinin geliştirici filmlerinde nasıl davrandığına dair değerli mikroskobik bir anlayış sunsa da, yarı iletken üretimi üzerindeki pratik etkisi, en hafif tabirle sınırlıdır. PEB'nin 105°C'ye yükseltilmesi, DUV litografi için zaten normal güvenli aralıkta yer almaktadır ve bu nedenle bir atılım değildir. Modern DUV tabanlı çiplerde 30-40nm hataları görmememizin nedeni budur. Öte yandan, aynı sıcaklık ayarlaması EUV süreçleri için uygun değildir, çünkü bu tür sıcaklıklar çözünürlüğü ve verimliliği ciddi şekilde bozabilir.
Sonuç olarak, araştırma bilimsel açıdan etkileyicidir, çünkü çip üreticilerinin uzun süredir ampirik olarak doğruladığı mekanizmaları teyit etmektedir. Ancak, gelişmiş çipler için uygulanabilir yeni çözümler sunmamaktadır. Yine de, Intel, Samsung veya TSMC'den bilim insanları da kriyojenik elektron tomografisini kullanırlarsa, gerçek bir atılıma yol açacak bir şeyler bulabilirler.
