面對(duì)EUV光刻技術(shù)，芯片制造商如何權(quán)衡復(fù)雜分類

新的光刻工具將在5nm需要，但薄膜，阻抗和正常運(yùn)行時(shí)間仍然存在問題。

Momentum正在應(yīng)用于極紫外（EUV）光刻技術(shù)，但這個(gè)談及很久的技術(shù)可以用于批量生產(chǎn)之前，仍然有一些主要的挑戰(zhàn)要解決。

EUV光刻技術(shù) - 即將在芯片上繪制微小特征的下一代技術(shù) – 原來是預(yù)計(jì)在2012年左右投產(chǎn)。但是幾年過去了，EUV已經(jīng)遇到了一些延遲，將技術(shù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)推向下一個(gè)階段。

如今，GlobalFoundries，英特爾，三星和臺(tái)積電相互競(jìng)爭(zhēng)，將EUV光刻插入到7nm和/或5nm的大容量制造（HVM），從2018年到2020年的時(shí)間范圍，這取決于供應(yīng)商。此外，美光，三星和SK海力士希望1xnm DRAM使用EUV。

但和以前一樣，在EUV進(jìn)入到HVM之前，有些pieces必須聚合在一起。而芯片制造商還必須權(quán)衡復(fù)雜的分類。

根據(jù)行業(yè)的最新數(shù)據(jù)，以下是當(dāng)前EUV狀況的快照，以及其中的一些權(quán)衡：

? ASML正在其期待已久的250瓦特電源安裝其首款具有生產(chǎn)價(jià)值的EUV掃描儀，這將在年底完成。然而，EUV的正常運(yùn)行時(shí)間仍然是一個(gè)問題。

? 阻抗，暴露于光線時(shí)在表面形成圖案的材料，今天正在努力達(dá)到EUV的目標(biāo)規(guī)格。該規(guī)格可以減少，但吞吐量受到打擊。有時(shí)，與抗蝕劑的相互作用可能會(huì)導(dǎo)致過程的變化甚至模式故障。

? EUV薄膜，面膜基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，還沒有準(zhǔn)備好用于HVM。薄膜是防止顆粒落在面罩上的薄膜。因此，芯片制造商可能要么等待EUV防護(hù)薄膜，要么沒有它們就要投入生產(chǎn)，至少在初期。盡管如此，即使沒有這些部分，芯片制造商也可以在7nm處插入EUV光刻技術(shù)。使用強(qiáng)力方法，可以為一層或多層插入EUV。然而，在5nm及以后，EUV還沒有準(zhǔn)備好在這些節(jié)點(diǎn)上滿足更嚴(yán)格的規(guī)范，這意味著行業(yè)必須花更多的時(shí)間和金錢來解決這些問題。

Stifel Nicolaus的分析師何志謙表示：“我們正在越來越多的采用EUV進(jìn)行批量生產(chǎn)。有些事情需要解決，客戶的EUV可以使用多少層次。英特爾更保守。三星更看好，因?yàn)樗麄兿氚阉谌隓RAM和代工/邏輯。我相信在臺(tái)積電5nm節(jié)點(diǎn)上將會(huì)實(shí)現(xiàn)全面的HVM實(shí)現(xiàn)，這可能意味著2020-2021。

顯然，代工客戶需要保持領(lǐng)先于EUV的曲線。為了幫助行業(yè)獲得一些洞察力，Semiconductor Engineering已經(jīng)看到了EUV掃描儀/源頭、阻抗和光罩掩膜基礎(chǔ)設(shè)施三個(gè)主要部分的技術(shù)。

為什么選擇EUV？

今天，芯片制造商使用193nm波長(zhǎng)光刻技術(shù)來對(duì)晶片上的精細(xì)特征進(jìn)行圖案化。實(shí)際上，193nm浸沒式光刻在80nm間距（40nm半間距）下達(dá)到極限。因此，從22nm / 20nm開始，芯片制造商開始使用193nm浸沒光刻以及各種多種圖案化技術(shù)。為了減小超過40nm的間距，多個(gè)圖案化涉及在晶圓廠中使用幾個(gè)光刻，蝕刻和沉積步驟的過程。

圖1：自對(duì)準(zhǔn)間隔避免掩模未對(duì)準(zhǔn)。來源：Lam Research圖2：雙圖案化增加密度。來源Lam Research

多個(gè)圖案化工作，但它增加了更多的步驟，從而增加流程中的成本和周期時(shí)間。循環(huán)時(shí)間是從開始到結(jié)束處理晶圓的晶片所花費(fèi)的時(shí)間。

為了解決這些問題，芯片制造商想要EUV。但是由于EUV尚未準(zhǔn)備好在7nm的初始階段，芯片制造商將首先使用浸入/多圖案化。希望是在7nm以后插入EUV。 EUV是5nm必須的。

D2S首席執(zhí)行官藤本真雄（Aki Fujimura）表示："從成本的角度來看，7nm將實(shí)用化，盡管可能并不理想。 “（業(yè)內(nèi)人士）希望隨著7nm的音量增加，EUV將采用相同的設(shè)計(jì)規(guī)則。 5nm從實(shí)際的角度來看真的是沒有EUV的。"

最初，EUV針對(duì)7nm的觸點(diǎn)和通孔。根據(jù)GlobalFoundries的說法，為了處理接觸/通孔，它需要每層兩到四個(gè)掩模用于7nm的光刻。

然而，使用EUV，每層只需要一個(gè)掩模來處理7nm和5nm的接觸/通孔。根據(jù)ASML，理論上，EUV簡(jiǎn)化了流程，并將生產(chǎn)周期的周期縮短了約30天。

“這是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的折衷，因?yàn)槟愕慕灰姿膱D案或一個(gè)面具接觸的三重圖案，”加里?帕頓，在首席技術(shù)官GlobalFoundries的。"這并不影響任何的設(shè)計(jì)規(guī)則要么，所以客戶可以得到循環(huán)時(shí)間和更好的收益率的優(yōu)勢(shì)。而且，因?yàn)樗菧?zhǔn)備好了，我們會(huì)由（EUV）以上的地方，我們會(huì)做金屬水平和縮小"。

EUV的早期采用者希望在2019年至2020年期間將7nm技術(shù)插入其中?！斑@是中心。 GlobalFoundries的高級(jí)研究員和技術(shù)研究高級(jí)總監(jiān)Harry Levinson表示：“我們正更加努。四大芯片公司在未來幾年都處于HVM的軌道上。 現(xiàn)在真正的問題是誰將是第一，誰將是第二。

問題的根源

不過，在此之前，芯片制造商必須首先將EUV引入HVM。 這被證明比以前認(rèn)為的更困難，因?yàn)镋UV光刻的復(fù)雜性令人難以置信。

圖3：該EUV的復(fù)雜性。來源：ASML

在EUV中，電源將等離子體轉(zhuǎn)換成13.5nm波長(zhǎng)的光。 然后，光反彈了10個(gè)多層鏡子的復(fù)雜方案。

在這一點(diǎn)上，光通過可編程照明器并擊中面罩。 從那里，它會(huì)彈出六個(gè)多層鏡子，并以6％的角度擊中晶片。

圖4：準(zhǔn)確彈跳光 來源：ASML /Carl Zeiss SMT Gmbh

最大的挑戰(zhàn)是電源。它不會(huì)產(chǎn)生足夠的電源或EUV光，以使EUV掃描儀能夠足夠快，或使其經(jīng)濟(jì)可行。

為了使EUV進(jìn)入HVM，芯片制造商需要能產(chǎn)生250瓦功率的EUV掃描器。這轉(zhuǎn)化為每小時(shí)125瓦的吞吐量（wph）。

實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所花費(fèi)的時(shí)間比預(yù)期的要多。不久前，源產(chǎn)生的功率只有10瓦。然后，ASML的電源從80瓦特移動(dòng)到125瓦特，將EUV的吞吐量從60瓦特提高到85瓦特。

今天，ASML正在準(zhǔn)備首款生產(chǎn)的EUV掃描儀NXE：3400B。該工具的數(shù)值孔徑為0.33，分辨率為13nm。 ASML高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Roderik van Es表示：“如果您看系統(tǒng)的成像性能，我們（已完成）13nm LS和16nm IS。 （LS是指線和空間，而IS是隔離線。）

最初，該工具將裝載一個(gè)140瓦的源，實(shí)現(xiàn)100瓦的吞吐量。最近，ASML已經(jīng)展示了一個(gè)250瓦的來源。根據(jù)Es的說法，這個(gè)250瓦特源的工業(yè)化版本將在年底前發(fā)布。

即使是250瓦的光源，但是平板印刷師擔(dān)心系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。 今天的193nm掃描儀可以不間斷地在制造廠以250W或更快的速度運(yùn)行。 相比之下，預(yù)生產(chǎn)的EUV機(jī)器的上升時(shí)間卻在70％和80％左右。

Stifel Nicolaus Ho表示：“可用性或工具在需要停機(jī)維護(hù)之前可以運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，仍然是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，特別是對(duì)于英特爾來說。 如果希望90年代高可用性指標(biāo)的英特爾公司，則可用性水平不能達(dá)到70％甚至80％?！?/span>

不過還有待觀察的是NXE：3400B在現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)如何。 如果仍然存在正常運(yùn)行時(shí)間問題，平板電腦正在研究為冗余目的購買額外的工具的想法。

那當(dāng)然，這是一個(gè)昂貴的提議，芯片制造商寧愿避免。 分析師表示，每個(gè)EUV掃描儀售價(jià)約為1.25億美元，而今天的193nm浸沒式掃描儀則為7000萬美元。

阻抗的問題

多年來，EUV的首要挑戰(zhàn)是電源?，F(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)是從源頭轉(zhuǎn)移到涉及抗蝕劑的過程。

EUV可分為兩大類：化學(xué)放大抗蝕劑（CAR）和金屬氧化物。 CAR在業(yè)界使用多年，利用基于擴(kuò)散的過程。較新的金屬氧化物抗蝕劑基于氧化錫化合物。

所謂的抵抗力也涉及所謂的RLS三角分辨率（R），線邊粗糙度（LER）和靈敏度（S）之間的三個(gè)指標(biāo)之間的折衷。

為了達(dá)到所需的分辨率，芯片制造商希望以20mJ / cm 2的靈敏度或劑量進(jìn)行EUV抗蝕。這些抗蝕劑是可用的，但它們比以前想象的更難加入HVM。

“在32nm間距和以下，無論何種劑量，無論CAR還是金屬氧化物，無論如何，至少在理由范圍內(nèi)（<100mJ /cm2），”GlobalFoundries Levinson說。

然而，該行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出在30mJ / cm 2和40mJ / cm 2工作的EUV抗蝕劑?；赗LS三角形的原理，較高劑量的抗蝕劑提供更好的分辨率。但是它們較慢并影響了EUV的吞吐量。

采用30mJ / cm 2的劑量，根據(jù)ASML，具有250瓦特源的EUV掃描儀的吞吐量約為104-105Wph，不含防護(hù)薄膜，低于期望的125wph目標(biāo)。

Levinson說：“現(xiàn)有的EUV抗蝕劑能夠支持7nm HVM，但是隨著我們走向更小的CD，我們脫離了懸崖?！?“下一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能處于危險(xiǎn)之中，因?yàn)楹臅r(shí)少的抗氧化劑時(shí)間過長(zhǎng)?！?/span>

這是關(guān)于在20mJ / cm 2下開發(fā)抗蝕劑的時(shí)間和金錢。該行業(yè)正在開發(fā)針對(duì)5nm的抗蝕劑。

抗拒挑戰(zhàn)是艱巨的。 Lam Research的技術(shù)總監(jiān)Richard Wise在最近的一次活動(dòng)中說：“劑量不一定是我們想要的?！?“由于EUV的隨機(jī)效應(yīng)，降低劑量有很多根本的身體挑戰(zhàn)?！?/span>

隨機(jī)指標(biāo)是隨機(jī)變化的另一種方式。光是由光子制成的。 Fractilia首席技術(shù)官Chris Mack解釋說，暴露少量抗蝕劑的光子數(shù)量與所需的曝光劑量相對(duì)應(yīng)。 “但是這個(gè)平均值有隨機(jī)變化。如果曝光該抗蝕劑體積的光子數(shù)量較多，則相對(duì)隨機(jī)變化較小。但是，隨著曝光少量抗蝕劑的光子數(shù)量變小，該數(shù)量的相對(duì)變化就會(huì)變大。

這種效應(yīng)稱為光子散粒噪聲。散粒噪聲是光刻過程中光子數(shù)量的變化。

所有類型的光刻受到隨機(jī)性的影響，但是對(duì)于EUV而言更糟。"首先，EUV光子比193nm光子攜帶能量的14倍。所以對(duì)于相同的曝光劑量，有14倍的光子，“麥克說。 “其次，我們正在努力通過使用低曝光劑量來提高EUV掃描儀的吞吐量。這也意味著更少的光子。光子越少，光子或射擊噪聲就會(huì)有很大的隨機(jī)不確定性。"

光子數(shù)量的變化是有問題的。 “我們有更高能量的光子，但還不夠。因此，我們有線寬粗糙度和線邊粗糙度（圖案），“TEL技術(shù)人員資深成員Ben Rathsack說。 （LER被定義為特征邊緣與理想形狀的偏差。）

如果這還不夠，變化也可能導(dǎo)致其他問題。 Imec高級(jí)圖案部門主管Gregory McIntyre表示：“我們將在成像中成為挑戰(zhàn)第一的是極端粗糙度事件或納米橋接，斷線和合并或漏洞等場(chǎng)合的隨機(jī)故障。

因此，在EUV曝光過程中，掃描儀有時(shí)無法解決線路，空間或聯(lián)系人?；蛘哌M(jìn)程可能導(dǎo)致線路斷開或聯(lián)系人合并。

薄膜問題

除了阻抗，還有其他問題，即EUV光掩?；A(chǔ)設(shè)施。光掩模是給定IC設(shè)計(jì)的主模板。面膜開發(fā)之后，它被運(yùn)到制造廠。將掩模放置在光刻工具中。該工具通過掩模投射光，這又掩模在晶片上的圖像。

多年來，該行業(yè)一直在制造EUV面罩，盡管這個(gè)過程仍然具有挑戰(zhàn)性。 KLA-Tencor標(biāo)線制品部總經(jīng)理Weston Sousa表示：“面罩行業(yè)正在加大EUV標(biāo)線的開發(fā)力度。 “挑戰(zhàn)眾多，從空白質(zhì)量和CD均勻性到圖案缺陷和修復(fù)?！?/span>

成本和收益也是問題。 “這是我擔(dān)心的面具，”GlobalFoundries的巴頓說。 “面罩本身存在缺陷，制造時(shí)面罩有缺陷?！?/span>

來自最近eBeam倡議調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示，總體面罩產(chǎn)量處于健康的94.8％，但EUV面罩產(chǎn)量下降了約64.3％。

并且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，掩模缺陷變得越來越小，難以找到。 “缺陷標(biāo)準(zhǔn)在早期循環(huán)中更為松動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，它將進(jìn)入HVM級(jí)別。英特爾?嵌入式光罩單元Intel Mask操作系統(tǒng)的面罩技術(shù)總監(jiān)Jeff Farnsworth表示，HVM級(jí)別肯定不會(huì)松動(dòng)。

另外，三星的研究人員Heebom Kim表示，EUV掩模比復(fù)雜的光學(xué)掩模貴8倍。但是隨著EUV進(jìn)入HVM，根據(jù)ASML的說法，EUV掩模的成本可能會(huì)下降到光學(xué)成本的三倍以上。

光學(xué)和EUV掩模是不同的。在光學(xué)上，掩模坯料由玻璃基板上不透明的鉻層組成。

相比之下，EUV掩?？瞻子梢r底上的40至50個(gè)交替的硅和鉬層組成。在光學(xué)和EUV中，掩模毛坯被圖案化，形成光掩模。

面具制造商希望實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)。首先是生產(chǎn)無缺陷的EUV面罩。然后，他們希望防止缺陷登陸面具。在這種情況下，來自掃描儀或其他過程的顆?？赡軣o意中落在掩模上。

如果在曝光階段在EUV掃描器的掩模上存在缺陷，則它們可以在晶片上印刷，從而影響芯片的產(chǎn)量。

通常，面膜制造商正在制造無缺陷的面罩方面取得進(jìn)展。防止顆粒著色在掩模上是不同的事情，并且涉及掩?；A(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵部分 - 防護(hù)薄膜。防護(hù)薄膜組件作為面罩的防塵罩。

圖5：原型薄膜。來源：ASML

不久前，業(yè)內(nèi)人士堅(jiān)持認(rèn)為，EUV掃描儀可以在沒有防護(hù)眼鏡的環(huán)境中處理干凈的環(huán)境。然后，芯片制造商改變了他們的立場(chǎng)，表示不會(huì)保證EUV掃描儀或其他工具在流程中保持100％的清潔。沒有防護(hù)薄膜制造商說，EUV面罩容易發(fā)生顆粒和缺陷。

所以行業(yè)開始開發(fā)EUV防護(hù)薄膜。用于光學(xué)掩模的防護(hù)薄膜基于薄聚合物材料。相比之下，唯一的EUV防護(hù)薄膜供應(yīng)商ASML開發(fā)出了僅50納米厚的多晶硅型EUV防護(hù)薄膜。

在操作中，當(dāng)EUV燈擊中防護(hù)薄膜時(shí)，膜的溫度將從600攝氏度升高到1000攝氏度。

問題是防護(hù)薄片是脆的。在這些溫度下，有些人擔(dān)心EUV防護(hù)薄膜可能會(huì)在加工過程中惡化，造成EUV面罩和掃描儀的損壞。

到目前為止，ASML的EUV防護(hù)薄膜已經(jīng)用140V的EUV電源進(jìn)行了測(cè)試。但是，防護(hù)薄膜將如何反應(yīng)250瓦特源仍然不清楚。

應(yīng)用材料面具和TSV蝕刻部門的技術(shù)人員和CTO主要負(fù)責(zé)人Wu Banqiu說：“對(duì)于機(jī)械強(qiáng)度和應(yīng)用性能，EUV薄膜有一些挑戰(zhàn)。 “防護(hù)薄膜吸收一些EUV能量。這種能量會(huì)導(dǎo)致防護(hù)薄膜的溫度升高。防護(hù)薄膜也存在于真空中。這意味著自然對(duì)流冷卻非常低。天然的熱轉(zhuǎn)移非常困難，因?yàn)榉雷o(hù)薄膜太薄了。”

總而言之，關(guān)于在HVM中使用多晶硅薄膜，如果不懷疑，仍然存在一些不確定性。所以現(xiàn)在，行業(yè)正在改變調(diào)整和考慮兩個(gè)選擇 - 等待一個(gè)HVM防護(hù)薄片或沒有他們開始生產(chǎn)。

英特爾表示，如果沒有防護(hù)眼鏡，它將不會(huì)進(jìn)入EUV生產(chǎn)。英特爾的Farnsworth說：“我們正在積極地研究它。

然而，該行業(yè)正在對(duì)沖它的投注。至少在初期，許多人也在考慮計(jì)劃進(jìn)入EUV生產(chǎn)而沒有防護(hù)眼鏡。

在理論上，使用EUV，芯片制造商可以處理沒有防護(hù)薄膜的接觸和通孔。 “對(duì)于那些人來說，不需要一個(gè)防護(hù)薄膜，因?yàn)殛P(guān)鍵區(qū)域較小。因此，造成問題的粒子的風(fēng)險(xiǎn)較小，“GlobalFoundries Patton說。

但是有一些后果。即使EUV掃描儀是干凈的，不需要的顆粒也會(huì)粘在掩模上。

因此，如果芯片制造商在沒有防護(hù)膜的情況下投入生產(chǎn)，則必須在流程中實(shí)施更多的掩模檢查和清潔步驟。 “我們將做我們所做的與晶片印刷和晶圓檢查，” GlobalFoundries 的萊文森說，“但是很痛苦。 所以，我們需要一個(gè)好的防護(hù)薄膜解決方案。”

在研發(fā)方面，該行業(yè)正在研究下一代薄膜和面具基礎(chǔ)設(shè)施的其他部分。 可以肯定的是，對(duì)于EUV抗議的發(fā)展也有緊迫感。 而且，當(dāng)然還有電源。

這一切會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？ 時(shí)間會(huì)告訴我們EUV光刻傳奇。