TROM2-Chip

Konkurrenzlos zu kleinen und leistungsfähigen Mikrochips

Fraunhofer ISIT und der Projektpartner IMS Nanofabrication (‘IMS‘) haben gemeinsam die MEMS-Prozessierung eines von IMS konzipierten CMOS-Chips entwickelt, welcher an die Grenzen des technologisch Möglichen geht und eine entscheidende Schlüsselkomponente für die weitere Miniaturisierung in der Halbleiter Mikro- und Nanoelektronik darstellt.

Die Herausforderung:

Die Halbleiterindustrie ist seit Jahrzehnten bestrebt, Energieverbrauch, Schaltgeschwindigkeit und Flächenbedarf der elektronischen Bauelemente durch Miniaturisierung zu optimieren. Nach über 50 Jahren kontinuierlicher Miniaturisierung der Strukturen liegen die derzeit größten technischen und physikalischen Barrieren in den Abbildungstechnologien der Fotolithografie und hier speziell in der Herstellung hochauflösender Fotomasken. Fotomasken werden in jeder Chipherstellung benötigt, um die Mikro- bis Nanometer großen Strukturen, die den Chip definieren, auf einen mit Fotolack beschichteten Silizium-Wafer zu übertragen.

Ein Technologieknoten (kleinste Strukturgröße) definiert ein erreichbares Miniaturisierungsniveau und damit die auf ihm aufbauenden Herstellungsprozesse. Mit dem Unterschreiten des 10 nm Technologieknotens vor wenigen Jahren wurde die EUV-Lithografie mit einer Wellenlänge von nur 13,5 nm für die weitere technische Entwicklung unverzichtbar.

Zur Herstellung fotolithografischer EUV-Masken werden Techniken benötigt, die die Definition sehr kleiner Strukturen hinreichend schnell und effizient ermöglichen. Dafür werden sogenannte Elektronenstrahl-Maskenschreiber eingesetzt.

Sollen EUV-Masken mit einer hohen Dichte an komplexen geometrischen Strukturen geschrieben werden, so stoßen die gängigen Elektronen-Einzelstrahl-Maskenschreiber an ihre Grenzen. Limitierend hierbei sind sowohl die großen Datenmengen für die Definition solcher Masken, als auch die benötigte Schreibzeit zur Herstellung am Maskensubstrat. Elektronen-Einzelstrahl-Maskenschreiber würden beispielsweise für eine komplexe EUV-Maske mehrere Tage Schreibzeit benötigen.

Die Lösung:

Die technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen waren die Motivation des von IMS entwickelten Elektronen-Multistrahl-Maskenschreibers (MBMW – Multi-Beam Mask Writer), dessen Herzstück der TROM2-Chip ist - eine elektronisch ansteuerbare und durch MEMS-Technologie bearbeitete „Lochblende“ zur parallelen Ablenkung von vielen Elektronenstrahlen.

In diesem Chip ist eine moderne CMOS-Elektronik mit Signalverarbeitung und Schaltungslogik integriert. Auf diesen elektronischen Strukturen befindet sich das gemeinsam entwickelte MEMS-Design, das dafür sorgt, dass die Elektronenstrahlen den Chip durchfliegen und dabei individuell abgelenkt werden können.

Der TROM2-Chip vereint die modernste CMOS Highspeed Signalverarbeitung mit MEMS-Technologien. Der gesamte MEMS-Prozess besteht aus über 200 Einzelschritten und kombiniert u.a. Technologien der Galvanik mit hohen Aspektverhältnissen, das Deep-Reactive-Ion-Etch (DRIE) Verfahren auf Basis des sogenannten BOSCH-Prozesses und das anisotrope KOH-Ätzen von Silizium.

Einzigartige Vorteile des TROM2-Chips

Die Post-CMOS MEMS-Prozessierung ermöglicht es dem TROM2-Chip mit 262.144 parallel schreibenden Elektronenstrahlen komplexe Strukturen innerhalb weniger Stunden in hoher Qualität und Auflösung sowohl auf Fotomasken für den 14 nm und 10 nm Technologieknoten als auch auf hochauflösende EUV-Masken für den 7 nm und 5 nm Technologienoten zu schreiben.

Eine solche Leistungsfähigkeit ist bisher im weltweiten Vergleich mit gängigen Elektronenstrahl-Maskenschreibern völlig unerreicht, so dass das Konzept des MBMW aktuell die absolute Speerspitze der Maskenschreiber-Technologien darstellt.

Der TROM2-Chip als Herzstück des MBMW (Multi-Beam Mask Writer) spielt aus diesem Grund eine entscheidende Schlüsselrolle für die Weiterentwicklung neuer Technologie-Generationen der Halbleiterindustrie und damit für die weitere Miniaturisierung der Mikroelektronik.

Die Anwendung

2017 kam der erste Multistrahl-Maskenschreiber MBMW-101 auf den Markt und wurde für die Herstellung von Masken für den 7 nm Technologieknoten verwendet.

Die neueste Generation an Multistrahl-Maskenschreiber ist der MBMW-201. Dieses Equipment befindet sich seit 2019 in den FABs bedeutender Halbleiterhersteller und wird für die Produktion von Chips des 5 nm Technologieknotens eingesetzt. Der MBMW-201 kann sogar für den zukünftigen 3 nm Technologieknoten zum Einsatz kommen, der voraussichtlich ab 2022 kommerziell relevant wird.

Ausblick

Zurzeit starten die Entwicklungen des Nachfolgeprojektes zwischen IMS und ISIT, um den weiter verbesserten TROM3-Chip zu realisieren. Dieser soll die zukünftigen MBMW-301-Geräte bestücken und den nächsten großen Sprung jenseits des 3 nm Technologieknotens in der Halbleitertechnologie ermöglichen. MBMW-301-Geräten wird es möglich sein, die Industriebedürfnisse zukünftiger, in der Auflösung weiter gesteigerter EUV-Lithografiegeräte bis Ende dieses Jahrzehnts und darüber hinaus abzudecken. Damit bleibt IMS mit seinem MEMS-Produktionspartner ISIT weiterhin an vorderster Front der Halbleiterindustrie tätig.