光刻技術(shù)的發(fā)展如何彎道超車或者換道超車

半導(dǎo)體技術(shù)的未來通常是通過光刻設(shè)備的鏡頭來看待的，盡管高度挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題幾乎永無休止，但光刻設(shè)備仍繼續(xù)為未來的工藝節(jié)點提供更好的分辨率。

多年來，光刻被視為持續(xù)器件微縮的與制造相關(guān)的主要控制因素，但受到多次延遲的困擾，這些延遲影響了工廠的吞吐量，一直持續(xù)到 7nm 工藝節(jié)點。這些問題現(xiàn)已得到解決，但許多新問題也即將出現(xiàn)，同時也出現(xiàn)了一些重要的改進。

來自設(shè)計、光刻、測試和測量以及封裝界的行業(yè)專家齊聚今年的 SEMICON West 和 DAC，討論極紫外 (EUV) 和即將推出的高數(shù)值孔徑 EUV（高數(shù)值孔徑 EUV）的產(chǎn)品路線圖，包括最新的研究和開發(fā)工作，以及推進光刻創(chuàng)新和縮放密度的障礙。討論領(lǐng)域包括提高電源和工藝效率、增強計量技術(shù)以及探索曲線掩模和光刻膠新化學(xué)物質(zhì)等新穎的解決方案。然而，在這些進步中，始終致力于實現(xiàn)更高的產(chǎn)量、更高的吞吐量和更低的每芯片成本。

高數(shù)值孔徑 EUV

今年的大部分討論都集中在 EUV 的下一步發(fā)展以及高數(shù)值孔徑 EUV 的時間表和技術(shù)要求上。ASML戰(zhàn)略營銷高級總監(jiān)Michael Lercel表示，目標是提高EUV的能源效率，以及他們下一代高數(shù)值孔徑EUV工具的開發(fā)狀況。

Lercel 表示：“EUV 工具并不是最節(jié)能的，但我們正在盡一切努力提高能源效率和工具本身，從而顯著提高制造每個晶圓所需的能源。”這些工具的演變中的數(shù)值孔徑（NA）。雖然每次曝光的總體能耗遠高于 193i 光刻，但支持更高密度器件的單一圖案化的能力意味著需要更少的曝光。這反過來又減少了總體能量輸出和循環(huán)時間。

高數(shù)值孔徑將數(shù)值孔徑從 0.33 增加到 0.55，將分辨率從約 26 至 30 納米間距提高到 16 納米間距。通過增加數(shù)值孔徑，分辨率得到提高，但光學(xué)器件必須變得更大。這就需要一臺更大的機器，這會帶來額外的好處。更大的工具旨在提供更好的可維修性，以保持高生產(chǎn)率水平并縮短維修后返回制造的恢復(fù)時間。新的高數(shù)值孔徑系統(tǒng)也更加模塊化，使服務(wù)團隊更容易更換各個模塊。

Lercel 透露，第一個完全組裝的系統(tǒng)已經(jīng)建成，但尚未投入使用，因為它沒有最終的光學(xué)器件。他預(yù)計這些系統(tǒng)將在今年晚些時候首次亮相。

“我們預(yù)計 0.55 的插入（insertion）將在未來幾年內(nèi)出現(xiàn)，并預(yù)計客戶將在 2025 年開始將其投入生產(chǎn)，”他說（見圖 1）。“之后，我們正在探索數(shù)值孔徑為 0.75 的超數(shù)值孔徑，我們預(yù)計這將在大約十年內(nèi)實現(xiàn)。

圖 1：ASML 預(yù)計 0.55 將在四年內(nèi)投入生產(chǎn)，0.75 Hyper EUV 將在大約十年內(nèi)投入生產(chǎn)

電子束計量

使用較高的數(shù)值孔徑進行曝光意味著光線以較小的角度（稱為入射角）照射到晶圓上。因此，晶圓上特征的垂直結(jié)構(gòu)或“縱橫比”變得更難以精確觀察和測量。應(yīng)用材料公司高級總監(jiān) Ofer Adan討論了需要更先進的計量工具來支持高數(shù)值孔徑工藝的問題。在 2 納米及以上節(jié)點，利用傳統(tǒng)電子束技術(shù)的成像功能檢測缺陷變得更加困難。

Adan 指出冷場發(fā)射 (CFE) 技術(shù)的最新發(fā)展是滿足高數(shù)值孔徑計量需求的一種可能的解決方案。CFE 是一種在較低溫度下工作的電子束源，與傳統(tǒng)熱離子源相比具有多種優(yōu)勢，包括提高空間分辨率、更好的光束穩(wěn)定性和減少球面像差。CFE 在室溫下運行，產(chǎn)生更窄、能量更高的電子束，與傳統(tǒng)熱場發(fā)射 (TFE) 技術(shù)相比，可產(chǎn)生更高的分辨率和更快的成像速度（見圖 2）。該技術(shù)的更高亮度有助于提供更高分辨率的成像和測量，但較小的光斑尺寸意味著吞吐量會受到顯著影響。

“CFE 存在一條熱場曲線，它是成像速度和分辨率之間的權(quán)衡，”Adan 說?！澳梢越档头直媛什@得更快的吞吐量，或者您可以保持相同的速度并獲得更高的分辨率。CFE 的速度比 TFE 快 10 倍。”

圖 2：CFE 在相同分辨率下提供比 TFE 快 10 倍的成像速度

直到最近，CFE 的使用還僅限于實驗室環(huán)境，因為電子束柱的穩(wěn)定性不足以滿足大批量半導(dǎo)體制造的嚴格要求。Adan 提到了解決穩(wěn)定性挑戰(zhàn)的兩項創(chuàng)新。一是柱內(nèi)的極高真空，二是循環(huán)自清潔過程，可不斷去除 CFE 源中的污染物，從而實現(xiàn)穩(wěn)定且可重復(fù)的性能。

高數(shù)值孔徑的新工藝技術(shù)

TEL 蝕刻業(yè)務(wù)部門總監(jiān) Angélique Raley 指出了塑造 EUV 未來的兩個重要趨勢。首先是從 2D 結(jié)構(gòu)到 3D 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，特別是從 finFET 到環(huán)柵 (GAA) 器件的轉(zhuǎn)變，這極大地影響了芯片制造所需的工藝。第二個問題圍繞 EUV 的連續(xù)臨界縮放，特別是因為它涉及將金屬間距減少至低至 12 nm。

“當我們從 GAA 轉(zhuǎn)向堆棧溝道 FET (CFET) 時，我們面臨著更高的縱橫比要求，”Raley 說道?！斑@一發(fā)展再次強調(diào)了高度可控的各向同性和定向蝕刻工藝的重要性?！?/p>

環(huán)柵（GAA）器件將通過涉及多層的外延（epi）沉積來定義，需要對該沉積過程進行完美的控制。半導(dǎo)體制造商需要設(shè)計高度控制的各向同性蝕刻，能夠選擇性地在所有方向上同時蝕刻材料。

等離子蝕刻仍然是不可或缺的，特別是對于高深寬比蝕刻。例如，接觸蝕刻是一種復(fù)雜的氧化物蝕刻工藝，需要高度控制。

隨著高數(shù)值孔徑 EUV 的引入，制造商將必須決定是使用化學(xué)放大抗蝕劑還是金屬氧化物抗蝕劑。這種轉(zhuǎn)變加上焦深的減小，將需要更薄的抗蝕劑，因此需要高精度的蝕刻過程控制。更薄的光刻膠還意味著更廣泛地使用硬掩模，因為光刻膠本身在蝕刻化學(xué)物質(zhì)中腐蝕得更快。

干抗蝕劑（Dry resist）

解決高數(shù)值孔徑抗蝕劑問題的一種方法是干抗蝕劑。Lam Research EUV 干式光刻膠營銷高級總監(jiān) Benjamin Eynon 表示，與傳統(tǒng)的化學(xué)放大 (CAR) 光刻膠工藝相比，干式光刻膠采用氣體前體工藝，涉及干式光刻膠材料和干式顯影工藝。其分子尺寸比 CAR 小六倍，可以打印更精細的細節(jié)（見圖 3）。它還通過消除液體簡化了流程，減少了圖案崩潰的可能性。Eynon 指出，干抗蝕劑還可減少 5 至 10 倍的浪費，使其成為更環(huán)保的選擇。

圖 3：干光刻膠成像可以對 16nm 和 13nm 的線條和空間進行圖案化，線寬粗糙度為 3nm

“干抗蝕劑可以產(chǎn)生更一致和可預(yù)測的結(jié)構(gòu)，同時減少浪費，”Eynon 說。“我們在高數(shù)值孔徑方面也具有分辨率優(yōu)勢，而 CAR 在低于 35 納米間距的情況下苦苦掙扎，而我們看到的結(jié)果遠低于此?！?/p>

他解釋說，與傳統(tǒng) CAR 相比，使用干抗蝕劑來改變抗蝕劑厚度要簡單得多?！斑^去，如果我必須向光刻膠供應(yīng)商索要旋轉(zhuǎn)更薄的光刻膠，我必須等待六個月才能完成所有測試。現(xiàn)在我們可以改變食譜并把它放下來?！?/p>

干抗蝕劑在加工窗口和缺陷率方面具有優(yōu)勢（可以忽略不計），但仍存在需要克服的障礙。降低高數(shù)值孔徑的劑量可能會導(dǎo)致粗糙度增加，因此需要做更多的工作來平衡劑量減少與線寬粗糙度 (LWR) 等其他因素。

imec先進圖案、工藝和材料高級副總裁 Steven Sheer也強調(diào)了干抗蝕劑相對于 CAR 的局限性的優(yōu)勢，適用于高數(shù)值孔徑提供的較小節(jié)距的線和空間成像。但他補充說，需要進一步研究來減少劑量并改善缺陷率。EUV 掃描儀的較低劑量與較高的吞吐量相關(guān)。

Imec 目前正在比利時魯汶 ASML 園區(qū)內(nèi)建設(shè)一個High NA 實驗室和試驗線。該項目將于 2024 年上半年開放，合作研究、測試和開發(fā)高數(shù)值孔徑 EUV 光刻工具和工藝。

“高數(shù)值孔徑 EUV 更像是一種進化，而不是一場革命，”Sheer 說。“我們必須壓縮時間尺度，在大約兩年內(nèi)生產(chǎn)這些新技術(shù)。” Sheer 預(yù)計高數(shù)值孔徑的理想插入點將是 14 埃（1.4 nm）節(jié)點。

高數(shù)值孔徑 EUV 的另一個挑戰(zhàn)涉及計量學(xué)，特別是在非常薄的材料成像方面。Sheer 提到了在 CD SEM 中測量微弱信號返回的困難。優(yōu)化著陸能量、不同材料以及用于去噪、對比度提取或自動缺陷分類的機器學(xué)習算法被認為是潛在的解決方案。

Sheer 認為掩模創(chuàng)新是高數(shù)值孔徑 EUV 演進過程的另一個關(guān)鍵領(lǐng)域。

“就掩模和成像而言，最重要的關(guān)鍵事情之一是我們探索低 n 掩模以提高整體對比度，”Sheer 說?！爱斈汩_始達到 24 納米間距或更低時，除非你實際實施了低 n 掩模，否則你會開始失去對比度。所以我們認為這是一項需要開發(fā)的重要技術(shù)?！?/p>

用于曲線設(shè)計的曲線掩模

三十年來，半導(dǎo)體掩模技術(shù)基本保持不變，掩模的制作是在可變成形機上進行的，這些機器將可變元件限制在 45 度角。隨著功能縮小并變得更加復(fù)雜，電子束和多束掩模寫入器提供了設(shè)計的靈活性?，F(xiàn)在，幾乎 100% 的掩模都是使用多光束技術(shù)制作的，為高數(shù)值孔徑系統(tǒng)上更復(fù)雜、更高效的設(shè)計帶來了新的機會。

在 DAC 的一次小組演講中， D2S首席執(zhí)行官 Aki Fujimura討論了現(xiàn)在可能出現(xiàn)的曲線制造，并因其在提高產(chǎn)量、減小芯片尺寸、降低功耗以及提高性能和可靠性方面的潛力而引起人們的興趣。

“現(xiàn)在可以在相同的時間內(nèi)以相同的精度投影任何形狀，”藤村說?！把谀５膲勖辉偈悄阆胍尸F(xiàn)什么樣的形狀的函數(shù)，因此，無論你要投射什么形狀，掩模的成本都是恒定的?！?/p>

高數(shù)值孔徑 EUV 的一個關(guān)鍵目標是降低復(fù)雜性并減少晶圓制造的總體周轉(zhuǎn)時間和成本，而曲線掩模有望在這些領(lǐng)域取得重大改進。

Perceive 首席執(zhí)行官 Steve Teig 演示了曲線設(shè)計如何將芯片設(shè)計中的過孔數(shù)量減少多達 50%，減少布線 30%，并將制造成本降低多達 30%（見圖 4）。“減少通孔數(shù)量可以減少電線長度，其程度比您想象的要大得多，”他說?！翱梢詷O大地減少通孔數(shù)量，使芯片變得更小、更快、更便宜、層數(shù)更少。這就是曲線路由的承諾?！?/p>

圖 4：Perceive 的 Teig 在 DAC 2023 的 Curvy Design Panel 上解釋了為什么通孔不是你的朋友

曲線設(shè)計還解決了較低節(jié)點處的許多隨機問題。Teig 將當前的光刻工藝比作向目標射弓和箭，瞄準的是外側(cè)邊緣而不是靶心?！叭绻愦蛴∫桓隳c形狀的金屬絲而不是方形的金屬絲，你可以瞄準中心，并且隨機性和線邊緣粗糙度問題變得不那么成問題，”他說。

變化帶來了另一個挑戰(zhàn)?！霸诰A上實際生產(chǎn) 90 度角是不可能的，”Fujimura補充道?！拔覀冎肋@一點，但這就是我們的設(shè)計，所以我們嘗試盡可能接近。制造業(yè)中最重要的事情是變化——不僅要在平均值上得到正確的結(jié)果，而且要使平均值的標準偏差盡可能小。”

PDF Solutions總裁兼首席執(zhí)行官 John Kibarian強調(diào)，曲線設(shè)計有望帶來創(chuàng)新的未來，特別是在從系統(tǒng)設(shè)計到原子重排的集成領(lǐng)域。其獨特的優(yōu)點，例如降低軌道高度，同時保持孔隙率和穩(wěn)定性，對于未來的擴展至關(guān)重要。

然而，向曲線制造的轉(zhuǎn)變并非沒有挑戰(zhàn)。這種創(chuàng)新設(shè)計方法的廣泛采用需要對電子設(shè)計自動化 (EDA) 軟件、組織動態(tài)以及測試和測量協(xié)議進行重大改變。然而，曲線設(shè)計為半導(dǎo)體制造帶來的提高產(chǎn)量、縮小芯片尺寸、降低功耗以及增強性能和可靠性的承諾遠遠超過了這些障礙。

“未來將更多地關(guān)注集成商的創(chuàng)新，”Kibarian說?！叭绻憧纯次覀兊男袠I(yè)所說的下一個十年將要發(fā)生的事情，那就是從系統(tǒng)設(shè)計到光刻、計量、再到能夠改進工藝的新材料的整個堆棧的集成。任何能讓你在保持穩(wěn)定性的同時減小尺寸、降低功耗和降低成本的東西都會在這個過程中發(fā)揮作用，這是曲線設(shè)計的最大潛在好處之一?！?/p>

結(jié)論

光刻技術(shù)的發(fā)展是半導(dǎo)體微縮化的基石，使電路圖案不斷小型化，并相應(yīng)提高電路密度和性能。隨著更節(jié)能的 EUV 工具的引入、高數(shù)值孔徑工具的發(fā)展以及用于提高分辨率和控制尺寸的整體集成創(chuàng)新方法，光刻的未來看起來充滿希望。

雖然當今的行業(yè)在將新材料集成到生態(tài)系統(tǒng)方面取得了一些成功，但高數(shù)值孔徑器件提供的場尺寸減小給光刻膠、計量、掩模制造和工藝控制帶來了新的挑戰(zhàn)。如果說過去 40 年已經(jīng)證明了什么的話，那就是該行業(yè)總能找到前進的道路。

編輯：黃飛