Tecnologías de mejora de la resolución

Las tecnologías de mejora de la resolución son métodos que se utilizan para modificar las fotomáscaras en los procesos litográficos empleados para fabricar circuitos integrados (CI o chips) y compensar así las limitaciones de la resolución óptica de los sistemas de proyección. Estos procesos permiten crear estructuras con una resolución muy superior al límite que normalmente impondría el criterio de Rayleigh . Las tecnologías modernas permiten crear estructuras del orden de 5 nanómetros (nm), muy por debajo de la resolución habitual que se consigue con luz ultravioleta profunda (UVP). 

Los circuitos integrados se crean mediante un proceso de varias etapas conocido como fotolitografía . Este proceso comienza con el diseño del circuito integrado como una serie de capas que se plasmarán sobre la superficie de una lámina de silicio u otro material semiconductor conocido como oblea .

Cada capa del diseño final se imprime en una fotomáscara , que en los sistemas modernos está hecha de finas líneas de cromo depositadas sobre vidrio de cuarzo de alta pureza. Se utiliza cromo por su alta opacidad a la luz ultravioleta (UV), y cuarzo por su limitada expansión térmica bajo el intenso calor de las fuentes de luz, además de su alta transparencia a la luz ultravioleta . La máscara se coloca sobre la oblea y se expone a una fuente de luz UV intensa. Con un sistema de imagen óptica adecuado entre la máscara y la oblea (o sin sistema de imagen si la máscara está lo suficientemente cerca de la oblea, como en las primeras máquinas de litografía), el patrón de la máscara se imprime en una fina capa de fotorresina en la superficie de la oblea, y una parte de la fotorresina expuesta a la luz (UV o EUV) experimenta reacciones químicas que crean físicamente el patrón fotográfico en la oblea.

Cuando la luz incide sobre un patrón como el de una máscara, se producen efectos de difracción . Esto provoca que la luz nítidamente enfocada de la lámpara UV se disperse en el lado opuesto de la máscara y se vuelva cada vez más difusa con la distancia. En los primeros sistemas de la década de 1970, para evitar estos efectos era necesario colocar la máscara en contacto directo con la oblea, reduciendo así la distancia entre la máscara y la superficie. Al levantar la máscara, a menudo se desprendía el recubrimiento de fotorresina y se dañaba la oblea. La obtención de una imagen sin difracción se resolvió finalmente con los sistemas de alineación por proyección , que dominaron la fabricación de chips durante las décadas de 1970 y principios de 1980.

El implacable avance de la ley de Moore acabó por alcanzar el límite de lo que podían soportar los alineadores de proyección. Se hicieron esfuerzos para prolongar su vida útil mediante el uso de longitudes de onda ultravioleta cada vez mayores, primero DUV y luego EUV, pero la escasa cantidad de luz emitida en estas longitudes de onda hacía que las máquinas fueran poco prácticas, requiriendo lámparas enormes y largos tiempos de exposición. Esto se solucionó con la introducción de los steppers , que utilizaban una máscara de mucho mayor tamaño y lentes para reducir la imagen. Estos sistemas continuaron mejorando de forma similar a los alineadores, pero a finales de la década de 1990 también se enfrentaban a los mismos problemas.

En aquel entonces, existía un considerable debate sobre cómo continuar la transición hacia estructuras más pequeñas. Los sistemas que utilizaban láseres de excímeros en la región de rayos X blandos eran una solución, pero resultaban increíblemente caros y difíciles de manejar. Fue en ese momento cuando se empezó a utilizar la mejora de la resolución.

El concepto básico que subyace a los diversos sistemas de mejora de la resolución es el uso creativo de la difracción en ciertas ubicaciones para compensar la difracción en otras. Por ejemplo, cuando la luz se difracta alrededor de una línea en la máscara, produce una serie de líneas brillantes y oscuras, o "bandas", que dispersan el patrón nítido deseado. Para compensar esto, se deposita un segundo patrón cuya difracción se superpone con las características deseadas, y cuyas bandas se colocan de manera que se superpongan con las del patrón original para producir el efecto opuesto: oscuro sobre claro o viceversa. Se añaden múltiples características de este tipo, y el patrón combinado produce la característica original. Normalmente, en la máscara, estas características adicionales se ven como líneas paralelas a la característica deseada.

La incorporación de estas mejoras ha sido un área de perfeccionamiento continuo desde principios de la década de 2000. Además de utilizar patrones adicionales, los sistemas modernos incorporan materiales de cambio de fase, patrones múltiples y otras técnicas. En conjunto, han permitido que el tamaño de las características siga reduciéndose hasta alcanzar órdenes de magnitud inferiores al límite de difracción de la óptica.

Tradicionalmente, una vez que el diseño de un circuito integrado se convertía en un diseño físico , se verificaba la temporización y se certificaba que los polígonos cumplían con las reglas de diseño (DRC) , el circuito integrado estaba listo para su fabricación. Los archivos de datos que representaban las distintas capas se enviaban a un taller de máscaras, que utilizaba equipos de escritura de máscaras para convertir cada capa de datos en una máscara correspondiente, y las máscaras se enviaban a la fábrica donde se utilizaban para fabricar repetidamente los diseños en silicio. En el pasado, la creación del diseño del circuito integrado marcaba el final de la participación de la automatización del diseño electrónico .

Sin embargo, a medida que la ley de Moore ha llevado a que las características se reduzcan a dimensiones cada vez menores, nuevos efectos físicos que antes podían ignorarse ahora afectan las características que se forman en la oblea de silicio. Por lo tanto, aunque el diseño final pueda representar lo que se desea en silicio, este puede sufrir alteraciones drásticas a través de varias herramientas EDA antes de que se fabriquen y envíen las máscaras. Estas alteraciones son necesarias no para modificar el dispositivo tal como fue diseñado, sino simplemente para permitir que el equipo de fabricación, a menudo adquirido y optimizado para fabricar circuitos integrados de una o dos generaciones anteriores, pueda producir los nuevos dispositivos. Estas alteraciones se pueden clasificar en dos tipos.

El primer tipo consiste en la corrección de distorsiones, es decir, la compensación previa de las distorsiones inherentes al proceso de fabricación, ya sea por una etapa de procesamiento como la fotolitografía , el grabado, la planarización o la deposición. Estas distorsiones se miden y se ajusta un modelo adecuado; la compensación se lleva a cabo generalmente mediante un algoritmo basado en reglas o modelos. Cuando se aplica a las distorsiones de impresión durante la fotolitografía, esta compensación de distorsiones se conoce como Corrección de Proximidad Óptica (OPC).

El segundo tipo de mejora de retícula implica mejorar la capacidad de fabricación o la resolución del proceso. Algunos ejemplos son:

Para cada una de estas técnicas de mejora de la fabricabilidad, existen ciertos diseños que no se pueden mejorar o que causan problemas en la impresión. Estos se clasifican como diseños no conformes. Se evitan en la etapa de diseño, por ejemplo, mediante el uso de reglas de diseño radicalmente restrictivas o la creación de comprobaciones DRC adicionales, si procede. Tanto las compensaciones litográficas como las mejoras de la fabricabilidad suelen agruparse bajo el epígrafe de técnicas de mejora de la resolución (RET). Estas técnicas se han utilizado desde el nodo de 180 nm y su uso se ha intensificado a medida que el tamaño mínimo de las características se ha reducido significativamente por debajo de la longitud de onda de la imagen, actualmente limitada a 13,5 nm. ^{[ 1 ]}

Esto está estrechamente relacionado con, y forma parte de, la categoría más general de diseño para la fabricación (IC o DFM).

Después de RET, el siguiente paso en un flujo EDA suele ser la preparación de datos de máscara .

• Tecnología de litografía inversa

• Manual de automatización del diseño electrónico para circuitos integrados , por Lavagno, Martin y Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3Un estudio del campo, del cual se elaboró ​​este resumen, con autorización.