TSMC en Samsung in Japan’s nieuwe extreem-UV lithografie project

Samenvatting

Japan is in zijn extreem-UV lithografie ontwikkeling aangeland op een punt, waarop het niet alleen met een Japans consortium de resterende uitdagingen op het terrein van mask en resist technologieën wil oppakken. Deels gedreven door de internationale roadmap (voldoende snelheid maken) en deels vanuit de behoefte aan succesvolle commerciële toepassingen, zijn voor het eerst een viertal buitenlandse bedrijven aan de nieuwe nationale EIDEC joint-venture aangehaakt: TSMC, Samsung, Intel en Hynix. TSMC hoopt als joint developer van EIDEC meer klanten in Japan te ontwikkelen. Bij TSMC zijn EUV systemen geïnstalleerd die afkomstig zijn van ASML in de top-tech productiefaciliteit FAB-12. Met deze systemen wil TSMC de volgende generatie lithografietechnologie ontwikkelen. Zodoende kan het de eerst foundry ter wereld worden die werkt met het EUV-proces.

Tabel  1. NEDO halfgeleiderprojecten.

Halfgeleiders
De afgelopen tien jaar zijn onder auspiciën van NEDO (1)  grootschalige halfgeleiderprojecten ondernomen. Zo is op het terrein van “LSI-design” is gewerkt aan: high efficiency design for SoC en next generation design for manufacturing. Binnen “FEOL” is gewerkt aan high-k materials, high mobility channel en fluctuation in MOS device. In “BEOL” aan low-k materials en advanced interconnects. Binnen “lithografie” aan design, drawing and inspection of photomask, EUV exposure system, EUV resist materials, inspection, repairing en handling of EUV masks. Binnen het thema “assembly & packaging” zijn de onderwerpen high density packaging en 3D-integration packaging opgepakt. In “devices & circuits” stonden high-speed nonvolatile memory, low-power circuits en nano-electronics centraal. De deels nu nog lopende projecten zijn opgenomen in tabel  1. Hiermee is de basis gelegd voor een stevige Japanse micro-elektronica en lithografie industrie.

EUV-lithografie
De volgende generatie lithografie maakt gebruik van Extreme Ultraviolet Lithography (EUVL) . Ook in Japan hebben bedrijven en onderzoeksinstituten hun research in de richting van EUVL verlegd. In 2002 werd de EUVA (2) opgericht voor de ontwikkeling van deze technologie die kan worden ingezet voor het maken chips/halfgeleiders met een afmeting van 45nmhp of kleiner. Negen Japanse bedrijven hebben zich in dat jaar bij deze organisatie aangesloten. EUVA is een associatie, die opereert binnen de regels van METI(3) voor mijnbouw- en fabricagetechnologie-onderzoeksorganisaties. Drie van de bedrijven waren op dat moment (potentiële) leveranciers van de EUV-lichtbronnen: Gigaphoton (4), Komatsu and Ushio. Twee bedrijven leveranciers van de productieapparatuur: Canon en Nikon.  Verder zijn toen de halfgeleiderfabrikanten: Fujitsu (Micro Electronics), NEC (Electronics), Toshiba en Renesas aangesloten.

Uitdaging
Inmiddels wordt EUV-lithografie gepositioneerd voor het op grote schaal maken van halfgeleiders van 32nmhp of kleiner na 2012. Dan moet er een EUV-machine op de markt komen, die grote hoeveelheden wafers kan behandelen.  Een dergelijk geavanceerde productiemachine vereist allerlei nieuwe machining tools die met nanometerprecisie kunnen werken en meten. Ook is er  een hoog-vermogen EUV-lichtbron (115-180W) nodig om licht met een golflengte van 13,5 nm te genereren. Een tinplasma is daarvoor de beste bron. Het hoge vermogen kan alleen gerealiseerd worden door het ontwikkelen van een hoog-vermogen laser met een hoge repetitie of door ontladingselektroden met een hoge warmteweerstand. Alleen zo kan een plasma gegeneerd worden. Voor deze ontwikkeling is het nodig analyses te doen van de fysica van het tinplasma. En met behulp van simulatiemodellen kan vervolgens een stabiele EUV lichtbron van hoge kwaliteit geproduceerd worden.

Omdat  EUV-licht met deze golflengte niet door materiaal en ook niet door lucht gaat, moeten de complexe systemen van spiegels zo gebouwd worden dat zij in vacuüm kunnen opereren. Hiervoor kunnen dus geen lenzen gebruikt worden. Het maken en positioneren van deze spiegels vereist zeer grote nauwkeurigheid. De correcte plaatsing van de (meer dan zes) spiegels in een bijzondere configuratie kan alleen gecontroleerd worden met  EUV-licht. Hoge precisie machining en zeer nauwkeurige meting zijn in deze complexe productiemachine dus onlosmakelijk met elkaar verbonden.

Resultaten EUVA
In EUVA verband is veel onderzoek gedaan voor de ontwikkeling van technologieën voor lichtbronnen en de projectieoptica met bijbehorende golffrontmetingen. EUVA heeft een tweetal lichtbronnen opgeleverd: de zogenaamde Laser Produced Plasma (LPP) en de Discharge Produced Plasma (DPP) bronnen. Ook het machining systeem en het precisiemanagementsysteem voor de spiegels is gereedgekomen. EUVA heeft verder de mechanismen onderzocht die leiden tot contaminatie door het hoog-energetische EUV-licht met het doel de levensduur van het optische systeem te verlengen.

Fig. 1  Hoofdlijnen van NEDO’s R&D programma voor EUV-lithografie (2001-2010).

Ook de ontwikkeling van deze nieuwe generatie lithografische technologieën is sterk ondersteund door NEDO via het MIRAI project (zie tijdlijn in fig. 1). In 2010 werd de derde fase van dit project afgerond. Resultaten zijn o.a.  op het gebied van EUV Mask Blank inspectie een phase-defect inspection tool for 6 inch blank,  bevestiging van de present-status of defects for 6 inch blank en de succesvolle detectie van kleine defecten met een hoogte van 1,1 en een breedte van 20 nm. Op het gebied van nieuwe EUV lichtbronnen werd ook voortgang geboekt. Verontreiniging door tindeeltjes in de LPP is sterk teruggebracht door tin-ionen met behulp van een magnetisch veld  te lokaliseren en door een hoge conversie efficiëntie (CE) door pre-pulse-irradiation in LPP te bereiken, waardoor er na UV-generatie minder deeltjes overblijven (5). Voor de DPP lichtbron werd ook een technologie ontwikkeld om de ion charge te onderdrukken en een hogere CE te bereiken met behulp van een geavanceerde laser trigger methode (6).

De eerdergenoemde bedrijven konden zodoende nieuwe EUV Optics Metrology (Nikon, Canon), een EUV Exposure System (Nikon, Canon), High Power Sources (Ushio, Komatsu), de EUVA High Reliability Source (Ushio,  Komatsu) en de EUV Mask Blank Inspection (Selete) ontwikkelen.

EIDEC
Op basis van deze resultaten hebben METI , NEDO en AIST (7) in 2011 besloten de commerciële ontwikkeling van EUVL verder te ondersteunen. Daartoe moet nog een aantal  serieuze technische problemen opgelost worden rond mask en resist technologieën, wil EUV lithografie in high performance 16 nmhp en 11 nmhp processen gebruikt kunnen worden, die in 2015 geïntroduceerd moeten worden. Dit zijn gebieden waar Japan goed gepositioneerd is. Toch zijn de uitdagingen op deze gebieden zo groot dat internationale samenwerking onontbeerlijk wordt geacht wil men met voldoende snelheid vooruitgang boeken. Japan wilde daarbij verder gaan dan de gebruikelijk vormen van samenwerking. Daarom heeft het EIDEC opgericht. EIDEC staat voor EUVL Infrastructure Development Center (8). Het nieuwe centrum is een joint-venture van elf Japanse bedrijven, dat momenteel vier toonaangevende buitenlandse halfgeleider bedrijven heeft aangetrokken voor deelname aan de verdere ontwikkeling van mask en resist technologieën. TSMC en Samsung figureren hier naast Intel en Hynix. Naast deze vier heeft EIDEC ook steun gekregen van Japanse apparaten- en machinebouwers en universiteiten (zie tabel 2).

Intel produceert al met een 22 nm proces en TSMC werkt met 28 nm gebruikmakend van double patterning en immersion optische lithografie. TSMC hoopt als joint developer van EIDEC meer klanten in Japan te ontwikkelen. Bij TSMC zijn EUV-systemen geïnstalleerd die afkomstig zijn van ASML in de top-tech productiefaciliteit FAB-12. Met deze systemen wil TSMC de volgende generatie lithografietechnologie ontwikkelen. Zodoende kan het de eerste foundry ter wereld worden die werkt met het EUV-proces.

Het onderzoek wordt geconcentreerd in de Tsukuba Innovation Arena, waar de clean room van het National Institute van AIST staat. Het project kent twee fasen. De eerste periode loopt van 2010-2015. NEDO heeft voor 2011 een budget van €28 miljoen beschikbaar (9).  Een belangrijke steunpilaar in dit nieuwe project vormt verder het Center for EUVL (CEL), gevestigd bij de universiteit van Hyogo (10). Met behulp van de NewSubaru synchrotronfaciliteit kan bij Beam Line 9 gewerkt worden aan een Interference Lithography & New Resist Evaluation System en bij Beam Line 3 aan EUVM & CSM en EUV Mask Inspection.

Tabel  2. Deelnemers in het nieuwe EUVL-project van EIDEC Ltd.

Laatste stand van zaken
Tijdens een recente workshop (11) toonde het R&D lab van Gigaphoton resultaten van de gebruikte 20W bron met 3,3 procent CE met 20 micrometer tindruppeltjes. Asahi Glass toonde zijn vooruitgang in het reduceren van mask blank defects (0,20 defects per cm2). Hyogo universiteit beschreef de prestaties van hun EUV- en coherent scattering microscopen voor de inspectie van EUV masks en aan de Osaka universiteit wordt gewerkt aan de ontwikkeling van EUV resist.

Er wordt ook hard gewerkt aan de volgende generaties EUV. De volgende werkt met golflengten van 6,x nm en de daarop volgende wordt voorlopige gekarakteriseerd als beyond EUV.  Het Department of Advanced Interdisciplinary Sciences and. Center for Optical Research & Education (CORE) van de Utsunomiya universiteit rapporteerde over een CE van 1,8 procent voor een niet geoptimaliseerde Gd-bron. Wereldwijd zijn veel activiteiten gericht op EUV-generatie in LPP bij 6,x nm. Dit geeft aanleiding te veronderstellen dat efficiënte generatie van EUV bij 6,x nm haalbaar is. JAEA werkt aan andere elementen zoals Kr voor het opwekken van 6,x fotonen.

Bronnen
1. NEDO = New Energy and Industrial Technology Development Organization, Japan.
2. EUVA = Extreme Ultraviolet Lithography System Development Association. 3. METI =  Ministry of Economy, Trade and Industry.
4. Gigaphoton werd in Augustus 2000 opgericht als 50-50% JV bedrijf van Ushio en Komatsu. In 2011 heeft Komatsu Ushio’s 50% aandeel gekocht waardoor Gigaphoton nu geheel een dochter van Komatsu is geworden.
5. Zie presentatie “Characterization and optimization of tin particle mitigation and EUV conversion efficiency in a laser produced plasma EUV light source”: ttp://tinyurl.com/3nlfcxl .
6. Zie: http://tinyurl.com/3zrhjcv .
7. AIST = National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan’s grootste publieke onderzoeksorganisatie met 3200 onderzoekers onder verantwoordelijkheid van NEDO.
8. Zie over EIDEC: http://eidec.co.jp/index_e.html .
9. Presentatie door Toru Nakayama, National Projects on Semiconductor in NEDO June 17, 2011: http://tinyurl.com/3b6lfy6 .
10. Presentatie door Takeo Watanabe, R&D status in EUVL program in Japan, University of Hyogo: http://tinyurl.com/3lclrte .
11. 2011 EUVL international workshop, June 13-17 Maui, HI USA: http://semimd.com/blog/2011/07/07/euvl-workshop-considers-improvements-to-euv-sources/ .