Unter Mehrfachstrukturierung () werden in der Halbleitertechnik verschiedene Strukturierungsverfahren für die Herstellung sehr dichter und feiner Strukturen zusammengefasst. Die meisten Verfahren basieren auf einer fotolithografischen Strukturierung (in der Regel die anspruchsvolle Immersionslithografie) mit doppeltem Abstandmaß (engl. pitch) der gewünschten Strukturen. Prinzipiell können so die erzielbaren Strukturgrößen gegenüber Einfachstrukturierung halbiert werden; wobei im Fall der Immersionslithografie die erreichbaren Strukturgrößen bereits unterhalb der eigentlichen Auflösungsgrenze der für die Abbildung verwendeten Wellenlänge liegen.
Die einfachste Variante ist die Doppelstrukturierung (englisch ), wobei auch unter diesem Begriff unterschiedliche Techniken zusammenfasst werden, siehe unten. Die Doppelstrukturierung wurde in der Halbleiterindustrie Mitte bis Ende der 2000er-Jahre beim 32-nm-Technologieknoten eingeführt, da mit den damaligen Fertigungsverfahren (193-nm-Fotolithografie und Immersionslithografie) die Abbildung von Fotolackstrukturen bei einem Half-Pitch von 45 nm nicht mehr ausreichend scharf abgebildet werden konnten. Da die Fotolithografietechniken der nächsten Generation damals zu teuer waren bzw. noch nicht für die Produktion mit hohen Stückzahlen zur Verfügung standen, ermöglichte die Doppelstrukturierung eine verhältnismäßig „einfache“ und „kostengünstigere“ Fertigung von Strukturen höherer Strukturdichten mit konventionellen Fotolithografieanlagen. Die Technik wird seitdem in verschiedenen Formen eingesetzt. Die Verfahren der Mehrfachstrukturierung stellen in der Regel Erweiterungen bzw. Kombinationen von Einzeltechniken dar, die bereits bei der Doppelstrukturierung angewendet werden.
Die Mehrfachstrukturierung gehört zur Gruppe der Auflösungsverbesserungsverfahren (engl.: , RET), welche bei Strukturgrößen unterhalb der Lichtwellenlänge (193 nm) zum Einsatz kommen.
Grundansätze Mehrfach-Belichtung hochkant=1.5|mini|Doppelbelichtung: Fotolackbeschichtung; erste Belichtung; zweite Belichtung; Entwicklung
Mehrfachbelichtung (engl. ) ist eine spezielle fotolithografische Methode, bei der eine Sequenz von mindestens zwei separaten Belichtungsschritten mithilfe unterschiedlicher Fotomasken und einem abschließenden Ätzschritt durchgeführt werden. Die einfachste Form der Mehrfachbelichtung ist die Doppelbelichtung (engl. ) mit einer abschließenden Ätzungvgl. , die nochmals in zwei Formen unterteilt werden kann: zwei Belichtungsschritte an derselben Fotolackschicht mit unterschiedlichen Fotomasken (Sequenz: Fotolackauftrag, Belichtung 1, Belichtung 2, Entwicklung) und abschließender Ätzung zwei getrennte vollständige Fotolithografieschritte mit zwei Fotolackschichten inklusive Entwicklung nach der ersten Belichtung (Sequenz: Fotolackauftrag 1, Belichtung 1, Entwicklung 1, Fotolackauftrag 2, Belichtung 2, Entwicklung 2) und abschließender Ätzung Eingesetzt wird diese Technik im Allgemeinen für Strukturmuster, die sehr unterschiedlich aussehen oder unvereinbare Strukturdichten bzw. -abstände aufweisen. Solche Muster können beispielsweise in zwei Muster unterschiedlicher Orientierung (z. B. um 90° verdreht) zerlegt werden.
hochkant=1.5|mini|Overlay-Versatz von Linienstrukturen bei der Doppelbelichtung
Problematisch bei der Verwendung der Mehrfachbelichtung ist der auftretende Overlay-Versatz (Überlagerungsversatz) zwischen den Strukturen bzw. Strukturteilen der unterschiedlichen Belichtungsschritte. Der Overlay-Versatz entsteht, da die zwischen den beiden Belichtungsschritten geänderten Komponenten des optischen Systems nie perfekt aufeinander ausgerichtet werden können (Beispielursachen: Maskenjustierung, Wafertopografie, Fokus, Belichtungsdosis, thermische Ausdehnung usw.).
Eine Variante des Mehrfachbelichtungsansatzes ist das sogenannte „“S. Kusumoto u. a.: Double Patterning with Resist Freezing Process. In: Workshop on Optical Lithography at 22nm and 16nm. 15. Mai 2008 (). (dt. ‚Fotolack-Erstarrung‘, engl. auch , LFLE). Diese Technik erlaubt die Beschichtung der bestehenden Fotolackschicht mit einer zweiten Fotolackschicht. Die JSR Corporation demonstrierte diesen Ansatz für die Herstellung von 32 nm breiten Linien und Zwischenräume. Dabei wurde die Erstarrung durch eine Oberflächenhärtung der ersten Lackschicht erreicht.Mark LaPedu: JSR demos 'freezing material' for 22-nm production.eetimes, 13. März 2008.
Direktschreib-Elektronenstrahllithografie ist von Natur aus eine Mehrfachbelichtungstechnik, da der Elektronenstrahl unterschiedlich geformt und an mehreren Standorten auf den Fotolack projiziert wird.
Doppelbelichtung und Doppelätzung
Die Doppelbelichtung und Doppelätzung (engl. , DEDE, auch DE/DE oder DE², manchmal auch engl. , LELE, genannt) ist eine weitere Doppelstrukturierungstechnik, die bereits eingesetzt wird. Anders als bei der zuvor beschriebenen Doppelbelichtung folgt hier nach jedem Belichtungsschritt ein Ätzprozess, bei dem das Muster der jeweiligen Belichtung in das unter dem Fotolack befindliche Material übertragen wird. Dies kann sowohl die eigentlich zu strukturierende Schicht, z. B. Polysilizium für spätere Gate-Elektroden, als auch Hilfsschichten, die als Hartmasken dienen, sein. Als Ergebnis dieser Folge aus Belichtung, Ätzung, Belichtung und Ätzung erhält man eine strukturierte Schicht, in der die Strukturmuster der ersten und der zweiten Fotomaske vereinigt sind.
Die Möglichkeit, die Strukturen des ersten Belichtungsschrittes in einer weiteren Schicht (der Hartmaske) fixieren zu können, ist ein wesentlicher Vorteil des DEDE-Ansatzes gegenüber der einfachen Doppelbelichtung. Die hierbei auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Bildern beider Belichtungsschritte in derselben Fotolackschicht können mit dem DEDE-Ansatz ausgeschlossen und auf diese Weise höhere Strukturdichten als mit Doppelbelichtung allein hergestellt werden.
Durch die Verschachtelung der beiden Teilmuster kann dabei die Strukturdichte theoretisch unbegrenzt erhöht werden, der Half-Pitch ist hierbei umgekehrt proportional zur Anzahl der verwendeten Teilmuster. Zum Beispiel kann ein 25-nm-Half-Pitch-Muster durch zwei 50-nm-Half-Pitch-Muster, drei 75-nm-Half-Pitch-Muster oder vier 100-nm-Half-Pitch-Muster erzeugt werden. Die Verkleinerung der Strukturen wird höchstwahrscheinlich die Hilfe von weiteren Techniken wie , oder benötigen. Praktisch sind dieser Methodik jedoch Grenzen gesetzt, z. B. erhöhte Variation in der Fertigung und höhere Kosten mit jeder weiteren Stufe.
Auch bei dieser Technik können hinsichtlich Anzahl der Hartmasken- und Planarisierungsschichten, eingesetzter Fotolacktyp, gewählter Maskierungs-Ansatzvgl. (Herstellung von Linien oder Gräben in der Hartmaske) usw. weitere Unterverfahren unterschieden werden. Im Folgenden sollen zwei Prozessfolgen mit und ohne Einsatz einer Hartmaskevgl. exemplarisch beschrieben werden.
Linienverdopplungsansatz mini|hochkant=1.5|DEDE-Strukturierung nach dem Linienverdopplungsansatz mit Hartmaske Bei der klassischen DEDE-Strukturierung, vgl. Abbildung rechts, wird zunächst auf dem zu strukturierenden Material/Substrat eine zusätzliche Opferschicht abgeschieden, die später als Hartmaske dient. Diese Hartmaske wird nach einem normalen Fotolithografieschritt (Resistauftrag, Belichtung und Entwicklung des Fotolacks/Resists) geätzt. Dabei wird die Struktur der Fotomaske in die Hartmaskenschicht übertragen. Nach der Entfernung der ersten Fotolackmaske folgen die zweite fotolithografische Strukturierung mit einer anderen Fotomaske und eine erneute Ätzung der Hartmaske. So entsteht ein Muster, das sich aus den Strukturen der neuen Fotolackschicht und der Hartmaske zusammensetzt und durch einen anschließenden anisotropen Ätzprozess in die darunterliegende Zielschicht bzw. Zielschichtstapel übertragen werden kann.
Diese Technik ermöglicht theoretisch eine Verdoppelung der Strukturdichte, wie es das Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC, Belgien) zur Strukturierung der Gate-Ebenen mit einem 32-nm-Half-Pitch-Prozess demonstrierte.. IMEC, 2007. Ähnlich wie bei der Doppelbelichtung erfolgen auch bei diesem Ansatz die beiden Teil-Strukturierungen mehr oder weniger unabhängig voneinander. Die bei der Fertigung auftretenden Toleranzen zwischen dem zweiten Fotolackmuster und dem ersten Hartmaskenmuster resultieren in einer zusätzlichen Abstandsvariation.
Grabenverdopplungsansatz mini|hochkant=1.5|DEDE-Strukturierung nach dem Grabenverdopplungsansatz mit Hartmaske Das nebenstehende Bild zur Herstellung von dicht zusammen liegenden Grabenstrukturen zeigt einen DEDE-Ansatz ohne Hartmaske. Wie zu sehen ist, wird hierbei keine Opferschicht aufgetragen und das Muster des ersten Belichtungsschrittes wird durch Ätzen des darunterliegenden Materials direkt in die Zielschicht übertragen. Diese Prozessfolge wird anschließend wiederholt und man erhält wiederum eine strukturierte Schicht, die die Muster der beiden Belichtungsschritte vereinigt.
(SaDP) hochkant=1.5|mini|SaDP-Verfahren: a) fotolithografische Strukturierung; b) Si3N4-Abscheidung; c) Spacer-Herstellung durch anisotopes Ätzen; d) Entfernung der Resistmaske; e) Anisotropes Ätzen der darunterliegenden Schicht (Poly-Si); f) Entfernung der Spacer
Als Spacer (dt. ‚Abstandshalter‘) werden dünne strukturierte Schichten an der Seitenwand vorhandener Strukturen bezeichnet. Sie werden durch konforme Abscheidung, das heißt gleichförmig an allen Flächen inkl. den Seitenwänden, einer Schicht auf einer zuvor strukturierten Oberfläche und anschließendem anisotropen Ätzen (Materialabtrag senkrecht zur Oberfläche) der Schicht gebildet. Durch diese Prozessfolge entstehen zwei neue Strukturen: jeweils ein Abstandhalter an der linken und rechten Seite der ursprünglichen Struktur. Durch entsprechende Prozessbedingungen (vor allem die abgeschiedene Schichtdicke) kann man eine Verdoppelung der ursprünglichen Liniendichte erzielen. Damit ermöglicht die Spacer-Technik die Herstellung von engen Gate-Strukturen mit der Hälfte des ursprünglichen lithographischen Linienabstands.
Der Spacer-Ansatz ist insofern einzigartig, als dass mit einer einzigen lithographischen Belichtung die Linienbreite unabhängig von der Abfolge der Spacer-Bildung und der Struktur-Übertragungs-Prozesse halbiert werden kann. Auf diese Weise wird das ernste Problem der sehr geringen Overlay-Toleranzen zwischen aufeinander folgenden Belichtungen umgangen. Die notwendige Kontrolle und Homogenität der Schichtdicke über den gesamten Wafer und unabhängig von den lokalen Strukturdichten stellt jedoch eine Herausforderung dar, die in der Hochvolumenproduktion nicht zu vernachlässigen ist.
Als Spacer-Materialien werden allgemein Hartmasken-Materialien wie Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid eingesetzt. Sie zeigen nach dem Ätzen qualitativ besserer Strukturen als Fotolackmasken, die in der Regel durch höhere Kantenrauigkeiten geprägt sind.
Neben der Schichtdickenkontrolle sind die wichtigsten Themen beim Spacer-Ansatz: Bleiben die Spacer erhalten, nachdem das Material der ursprünglichen Struktur, an die sie gebunden sind? Ist ihr Profil akzeptabel? Wird das darunterliegende Material beim Entfernen der Spacer angegriffen? Die Strukturübertragung ist in der Hinsicht kompliziert, dass bei der Spacer-Herstellung auch ein wenig des darunter liegenden Materials entfernt wird (Überätzung). Dies ist notwendig damit keine Materialreste in Bereichen übrigbleiben, die frei bleiben sollen. Dieser Ansatz führt aber zu einer leicht höheren Topographie des Substrates auf der in den freien und durch den Spacer bzw. Dummy-Gate geschützten Bereichen. Dies führt zu zusätzlichen Herausforderungen an die Fertigung für nachfolgende Prozessschritte, der Feineinstellung der elektrischen Transistorparameter und der Strukturierung selbst, falls der SaDP-Ansatz mehrfach durchgeführt werden sollte.
Zweiton-Verfahren Zweitonfotolacke