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(biāo)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?！边@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）?！爸?，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?！?/p>

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(dāng)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。“這一發(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。”

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?！拔覀冊诟邤?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?，F(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?！拔覀儽仨殙嚎s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(xí)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?dāng)你開始達到 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。”

高數(shù)值孔徑 EUV 的一個關(guān)鍵目標(biāo)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）?！皽p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。“可以極大地減少通孔數(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(dāng)前的光刻工藝比作向目標(biāo)射弓和箭，瞄準(zhǔn)的是外側(cè)邊緣而不是靶心。“如果你打印一根香腸形狀的金屬絲而不是方形的金屬絲，你可以瞄準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)偏差盡可能小?！?/p>

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。”

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(dāng)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