高NA EUV迎來(lái)制程的岔路口

半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)正努力爭(zhēng)取進(jìn)入所謂的“埃時(shí)代”（Angstrom era）。在所謂的3nm工藝節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)上，以“?！倍皇且浴凹{米”來(lái)命名技術(shù)節(jié)點(diǎn)成為了一種時(shí)尚，因此不是1.5nm，而是15埃。正是在這一點(diǎn)上，對(duì)晶圓上更精細(xì)圖案的要求超出了當(dāng)今EUV光刻系統(tǒng)和程序的能力。?

如今，只要小心謹(jǐn)慎，就能在硅片表面打印出線條間距約為13nm的圖案，這對(duì)于當(dāng)今所謂的5nm工藝來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠精細(xì)。這些圖案被投射到一層輻射敏感材料光阻層上。然后對(duì)圖案進(jìn)行顯影，并通過(guò)相當(dāng)復(fù)雜的蝕刻和清洗過(guò)程將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠下面的臨時(shí)材料層上。這些材料層反過(guò)來(lái)又形成了一道堅(jiān)硬的屏障，通過(guò)這道屏障可以蝕刻掉材料，或?qū)⒉牧咸砑拥骄A表面，從而形成構(gòu)成集成電路的晶體管和導(dǎo)線。

對(duì)于3nm一代，最關(guān)鍵的層（例如與晶體管進(jìn)行電氣連接的層或構(gòu)成金屬互連的第一層）將需要略微細(xì)于13nm的分辨率，以便與最密集的晶體管進(jìn)行連接。這已經(jīng)超出了當(dāng)今EUV系統(tǒng)的能力范圍。

該行業(yè)現(xiàn)在正面臨著一個(gè)岔路口。岔路口的一個(gè)分支由TSMC的支持，依靠雙圖案化來(lái)解決分辨率問(wèn)題。雙圖案化不是試圖提高光刻系統(tǒng)的分辨率，而是使用兩個(gè)獨(dú)立的掩膜來(lái)形成密集的圖案，在不同的掩膜上交替放置線或點(diǎn)或其他東西。這樣，每個(gè)掩膜產(chǎn)生的分辨率都不會(huì)超過(guò)13nm，但當(dāng)兩個(gè)掩膜相繼使用時(shí)，產(chǎn)生的圖案特征幾乎可以接近兩倍。

問(wèn)題在于復(fù)雜性。雙圖案化需要兩個(gè)掩膜，而不是每個(gè)關(guān)鍵步驟一個(gè)掩膜，而且，取決于你做得有多巧妙，這些層上的處理工序幾乎是原來(lái)的兩倍。而兩個(gè)圖案之間的對(duì)準(zhǔn)必須近乎完美，因?yàn)檫@兩個(gè)圖案是從兩個(gè)不同的掩膜上投射出來(lái)的，分別通過(guò)EUV系統(tǒng)的兩個(gè)不同通道。

另一個(gè)分支依賴于具有更高分辨率的新一代EUV系統(tǒng)?，F(xiàn)在，成品層的分辨率受到很多因素的影響。但第一個(gè)因素是EUV系統(tǒng)的光學(xué)分辨率。根據(jù)光學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)法則，在理想系統(tǒng)中，分辨率與光源波長(zhǎng)除以光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（NA）成正比。NA是一種測(cè)量值，有點(diǎn)像照相機(jī)中的光圈值?；旧希饴分睆皆酱?，NA就越大。

EUV系統(tǒng)的波長(zhǎng)由光源固定在13.5nm。因此，要獲得更精細(xì)的分辨率，就必須提高NA值。這正是ASML（唯一的EUV設(shè)備供應(yīng)商）所做的，他們已將NA值從0.33提高到目前正在開(kāi)發(fā)的0.55。這將把分辨率從現(xiàn)在的13nm提高到新的8nm。

蜿蜒曲折的道路??

這一看似微小的變化（實(shí)際上是稍稍增大了構(gòu)成EUV系統(tǒng)光路的復(fù)雜反射鏡鏈的直徑）本身就是一項(xiàng)重大的工程成就，因?yàn)樗性夹枰y以想象的精確表面形狀和光路定位。但這一變化的影響波及整個(gè)集成電路制造過(guò)程，并帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

首先是掩膜。每個(gè)掩膜都是刻有圖案的鏡面。在光路的起始位置，X射線源會(huì)照亮一個(gè)狹窄的狹縫。安裝在移動(dòng)臺(tái)上的掩膜穿過(guò)狹縫發(fā)出的光束，反射光沿著鏡面路徑反彈，在反彈的過(guò)程中縮小圖像尺寸。最大的掩膜圖案約為100x130mm，在晶圓上產(chǎn)生的視場(chǎng)尺寸為26x33mm，縮小了4倍。

這就是第一個(gè)挑戰(zhàn)。ASML需要根據(jù)高NA系統(tǒng)的幾何形狀來(lái)制作變形系統(tǒng)，即在一個(gè)軸上將圖像尺寸縮小4倍，而在另一個(gè)軸上縮小8倍。這意味著晶圓上產(chǎn)生的場(chǎng)尺寸現(xiàn)在是26x16.5mm，是目前生產(chǎn)的最大die尺寸的一半。因此，最大的die，也就是將首先遷移到3nm節(jié)點(diǎn)的die，將必須使用兩種不同的掩模分兩次進(jìn)行圖案化，并以某種方式將兩個(gè)圖像拼接在一起。如何在生產(chǎn)中做到這一點(diǎn)是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題，而且很可能至少與雙圖案化一樣具有挑戰(zhàn)性。

Intel認(rèn)為，解決方案是采用更大的掩膜。但這反過(guò)來(lái)又會(huì)在掩膜制造和檢測(cè)的另一條技術(shù)鏈上產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。因此，這個(gè)問(wèn)題仍然懸而未決。

保持對(duì)焦??

再往下看，問(wèn)題就更多了。除了更精細(xì)的分辨率外，更大的NA還帶來(lái)了一個(gè)不太受歡迎的光學(xué)效應(yīng)，更淺的焦深 (DoF)。在晶圓表面完全對(duì)焦的圖案，在晶圓表面以上或以下20nm處會(huì)變得模糊不清，令人無(wú)法接受。

這有兩個(gè)原因。其一，光刻膠層的表面并不是一個(gè)完美的數(shù)學(xué)平面。在抗蝕劑結(jié)構(gòu)下面的晶圓表面上已經(jīng)形成的層可能很不規(guī)則，充滿了鰭狀、帶狀或其他各種凹凸。我們會(huì)盡力使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均勻，從而使光刻膠層接近完美的平面。但這不可能是完美的。較大的DoF有助于確保圖案在光刻膠層的所有部分都能聚焦。較小的視場(chǎng)角意味著平面度更為重要。

另一個(gè)問(wèn)題是，如今的光刻膠層厚度可能與高NA系統(tǒng)的DoF一樣厚。因此，如果對(duì)焦出現(xiàn)微小誤差，部分光刻膠就會(huì)被焦外光束曝光，導(dǎo)致圖像失真。出于這個(gè)原因，以及防止光刻膠層塌陷的一些機(jī)械問(wèn)題，用于高像素光學(xué)系統(tǒng)的光刻膠必須大大減薄。這就意味著需要新的材料、新的化學(xué)成分，并重新設(shè)計(jì)光刻膠疊層中涉及的幾個(gè)層。

不斷變化??

變化也不止于此。僅舉幾個(gè)領(lǐng)域?yàn)槔?，我們?yīng)該看看反向光刻技術(shù)（ILT）和圖案成型技術(shù)。

在3nm范圍內(nèi)，EUV系統(tǒng)的圖案特征小于照明波長(zhǎng)。因此，衍射大大改變了投射到晶圓上的圖像，使線條模糊、縫隙縮小、邊角變圓。ILT軟件最初是在193nm沉浸式光刻系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)開(kāi)發(fā)的，而在此之前的EUV系統(tǒng)也曾出現(xiàn)過(guò)這種問(wèn)題。但現(xiàn)在，這個(gè)問(wèn)題再次出現(xiàn)。ILT軟件以理想圖案為起點(diǎn)，將其成像在晶片上。然后，它進(jìn)行反向計(jì)算，實(shí)際上是扭轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的影響，以確定掩膜上應(yīng)該有什么圖案，從而在晶片上形成理想圖案。

過(guò)去，ILT通過(guò)使用線性特征（矩形、直角線段和45度線段）來(lái)接近所需的掩膜圖案。但是，對(duì)更高分辨率的要求已經(jīng)開(kāi)始從這些線性近似值轉(zhuǎn)向在掩膜上使用曲線特征（曲線特征是ILT結(jié)果的更精確表示），這使得從軟件開(kāi)發(fā)人員到掩膜制造商的每個(gè)人的工作都變得更加復(fù)雜。高NA的增強(qiáng)分辨率將加速這一轉(zhuǎn)變。

相比之下，圖案整形是在光刻完成工作后進(jìn)行的。在光刻和光刻膠顯影之后，當(dāng)圖案從堆棧頂部的超薄光刻膠層轉(zhuǎn)移到下面更厚、更硬的層時(shí)，它將改變晶圓上圖案的形狀。

Sculpta圖案成型技術(shù)的開(kāi)發(fā)商Applied Materials解釋說(shuō)，該技術(shù)可用于任何光刻工藝，以增強(qiáng)臨界間距、控制形狀和改善線邊粗糙度，后者是先進(jìn)光刻工藝的一個(gè)老大難問(wèn)題。該公司表示，在某些情況下，根據(jù)所形成的圖案，Sculpta甚至可以消除雙重圖案化的需要。從這個(gè)意義上說(shuō)，它不僅是對(duì)光刻工具的補(bǔ)充，而且可能推遲轉(zhuǎn)向雙圖案化或高NA的需要。

例如，圖案整形可以將光刻膠中的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為下層中的細(xì)長(zhǎng)橢圓形，從而顯著減少特征之間的端到端距離。它不能使一個(gè)區(qū)域內(nèi)的特征數(shù)量增加一倍，但可以使它們的形狀不同、尺寸更大、距離更近，這對(duì)觸點(diǎn)和通孔來(lái)說(shuō)是件好事。雖然高NA EUV不需要這種技術(shù)，但在這些關(guān)鍵層的圖案化過(guò)程中，圖案整形很可能會(huì)與之結(jié)合使用。

下注???

我們看到，在EUV技術(shù)中，提高光路NA是一項(xiàng)重大舉措。這可以提高分辨率，至少在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)需在關(guān)鍵層上進(jìn)行雙重圖案化。一些分析師認(rèn)為這是未來(lái)的發(fā)展方向，而ASML、IMEC和Intel等實(shí)力雄厚的機(jī)構(gòu)似乎也同意這一觀點(diǎn)。但是，高NA帶來(lái)了一連串的復(fù)雜問(wèn)題。其他一些行業(yè)玩家（尤其是TSMC）認(rèn)為，在未來(lái)的幾代產(chǎn)品中，雙圖案化將更安全、更便宜。

具有諷刺意味的是，這恰恰與Intel和TSMC最初引入EUV時(shí)的立場(chǎng)相反。當(dāng)時(shí)，Intel認(rèn)為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則和雙圖案化的廣泛使用將延長(zhǎng)193nm光刻機(jī)的壽命。TSMC則承諾廣泛使用EUV。這些賭注導(dǎo)致Intel在制程技術(shù)上嚴(yán)重落后，至今仍在努力追趕。現(xiàn)在，隨著賭注的反轉(zhuǎn)，我們又要擲骰子了，贏家或許會(huì)再次獲得巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。