EUV正在取得进展吗?

作者:安·斯蒂福拉·穆茨勒和埃德·斯珀林
EUV已经被承诺了几十年，在ITRS路线图中至少有三个工艺节点被指望，并且从22纳米开始被认为是芯片制造的关键。数十亿美元的研发投入，来自世界各地的工程团队为其发展做出了贡献，但仍然存在严重的问题。

该行业距离解决这些问题还有多远一直是一个争论不休的话题。但事实上，大多数设计团队都在使用双模式在16/14nm，并计划三重模式/ 10nm的四重图案，很好地表明了这些问题已经变得多么棘手。最优秀的科学头脑，拥有来自全球各地的大量资源，仍然没有提出一个商业上可行的解决方案。

该公司高级副总裁兼首席技术官戴夫·海姆克说:“一个变化发生在图案或光刻技术上林的研究．“在7nm之前，EUV不会以任何有意义的方式提供。多重模式已经存在了一段时间。现在，你会发现这种情况越来越普遍。你看到的是从双模式，到三模式，再到四模式。从我们的角度来看，我们还看到了更多的原子层沉积。”

目前，有两个问题被认为是令人扫兴的EUV——光源的一致性和功率足够大，以及EUV掩模层的缺陷。还有一些小的问题，比如掩模模式缺陷，但一旦真正的大问题解决了，这些问题被认为是可以通过额外的努力解决的。

光刻胶的问题
光源问题是最受关注的问题，有两种方法来看待这个问题。一个是从光源本身的角度，关于如何提高光源的功率，从而提高晶圆厂内的晶圆吞吐量，已经有很多文章了。第二种是从光刻胶的有利位置，光敏材料用于在基材上形成图案。

光刻专家和行业顾问克里斯·麦克说:“制造工具的人想要的是一种可以在非常小的曝光剂量下工作的光刻胶，曝光剂量是光的强度乘以曝光时间。”“光的强度由光源控制，EUV光源没有足够的功率。结果，它们跑得很慢。所以曝光时间很长，因为光的强度比我们想要的要低。正因为如此，时间比我们想要的要高，因为强度乘以时间必须等于所需的光刻胶剂量。工具供应商想要的是一种在低暴露剂量下也能很好工作的抗蚀剂。”

用哪种方法解决问题并不重要。这项突破可以是更强大的光源，更灵敏的感光胶，或者两者兼而有之。

“最终我们都知道，重要的是体制，”他说。“我们必须有一个完整的系统，但对大多数人来说，除非你是一个抗药化学家，否则抗药就像一个黑盒子。这是一种神奇的黏糊糊，没有人知道它是如何工作的，我们只是说，‘哦，抵抗公司，他们会想出办法，他们会给我们更快的抵抗，我们所有的问题都会解决。’但大多数致力于解决这个问题的人都意识到，这是不可能发生的。”

的建模和验证组主任John Sturtevant说导师图形他也有类似的观点。“这种百慕大三角在所有抗蚀系统中都有效，但在EUV波长下尤其严重。三角形的两条腿分别是线边缘的粗糙度，剂量的光速度，和分辨率，最终结果是你可以选择两个你想提高的，而另一个会受到影响。这在EUV中是非常严重的情况，它不仅仅与光刻胶有根本的关系。这与整个成像系统有关。在EUV的情况下，由于各种原因，它更加尖锐，其中一些与光刻胶有关，但这正是那种权衡。”

Sturtevant说，由于光源功率曲线的攀升非常昂贵，这就需要尽可能快的光阻。“这是因为扫描仪，无论是248或193(纳米)，还是现在的EUV，都是基于这样的原理工作的:你拿起镜头，挡住镜头的最佳位置，然后你以4倍的比例同步扫描晶圆级和十字线级，这就是你在芯片上扫描图案的方式。扫描的速度越快，每小时的晶圆就越多，你就可以收回投资，因为在晶圆厂生产中，litho始终是限制步骤。而现在价值1亿美元的扫描仪系统更是如此。你希望能扫描得更快，但你只能扫描到电阻的灵敏度，这是三角形的一条腿。当你开始思考像接触层这样的东西时，这是特别有趣的，在历史上，我们使用的是深色密封的面具，面具上唯一的孔就是微小的接触孔所在的地方。所以掩模的90%都是黑色的，你只是让光子进入你想要的洞。”

瞎猜
这里的一个关键指标是线边缘粗糙度，有时称为镜头噪声。

麦克说:“当你使暴露剂量足够低时，那么你必须收集的光子总数就会变得非常小，这就成为一个有很多变量的统计量。”“你发射一个接触孔，给它100个光子，然后它旁边的下一个接触孔只得到90个光子。这是光行为的统计现实。这是我们无法克服的物理定律。所以，你用来曝光光刻胶的曝光剂量越低，在曝光中发生的统计波动就越多。结果是一个更粗糙的特征，有更多的变化。这是一个严重而根本的问题。我不认为这是抵抗问题，尽管有些人这么认为。但从制造的角度来看，问题在于光源。从对正在发生的事情的理解来看，问题是暴露的物理学有这种统计涨落。 It is a real fundamental limit of physics, and there’s not much you can do about it. You can’t change the laws of physics but you can squeeze out the best of what the physics will allow.”

研究人员一直希望的解决方案之一是事后平滑。“我们的想法是，在你打印出这个特征之后，它都是粗糙的，你会出现一个光刻后的平滑过程，平滑掉粗糙度，很多人都寄希望于，‘好吧，如果我们不能改变物理定律，实际上在一开始就能做出光滑的特征，也许我们可以在事后平滑它们。他说:“由于这将在一种不是非常昂贵的EUV光刻工具上完成，我们可以负担得起。”

但这真的可行吗?麦克提出了纸在2月份的SPIE会议上，他对这种方法是否有效提出了质疑。

他说:“当我们在晶圆上打印光刻胶打印的线时，我们不只是打印一条线。”“我们打印了1000行、100万行、10亿行。我们讨论了高频粗糙度和低频粗糙度。高频粗糙度是当你第一次看一条线时看到的锯齿状边缘，而低频粗糙度仍然是一种来自统计波动的统计现象，导致相邻的线具有不同的线宽。统计波动的一个结果是原子和光子这些离散的量在做所有的工作这些波动发生在很短的空间距离上，这就是我们所说的高频粗糙度。但它也可能发生在更长的长度尺度上，其结果是临界维度(CD)变化。平滑可以平滑高频粗糙度，但不能平滑CD变化。假设我有两条相邻的直线，一条在左边，一条在右边，由于统计波动，左边的一条太小了，右边的一条太大了。为了让平滑过程解决这个问题，平滑过程必须能够知道左边的那个太小了，然后把它变大，知道右边的那个太大了，然后把它变小。这是一个非常聪明的平滑过程，我们没有任何东西可以做到这一点——只有一个例外，那就是定向自组装。”

在原始数据中，麦克认为今天的光抗蚀剂需要大约30毫焦耳每平方厘米的曝光能量来曝光它们。商业目标是每平方厘米20毫焦耳的曝光能量。如果在光敏电阻方面有改进，比如工作在10毫焦耳，那么现有光源的吞吐量将会翻倍。通过一些线边平滑，这个问题最终有希望得到解决。但在多年的承诺之后，岩石专家也有一定程度的怀疑。

在任何情况下，EUV电源今天可以产生90瓦的功率。ASML和Gigaphoton正在分别开发未来可能达到250瓦的EUV电源。在250瓦的功率下，EUV可用于大批量生产。

但是250瓦可能还不够。例如，在最近的一项研究中，GlobalFoundries在模拟环境中比较了EUV和竞争对手193nm浸入三重模式。我们的目标是了解需要多少EUV功率才能达到或超过三重模式的吞吐量。在实验中，GlobalFoundries打印了22nm半间距触点。EUV抗蚀剂的灵敏度为30mJ/cm2。

GlobalFoundries战略光刻技术高级研究员兼总监Harry Levinson表示:“为了实现浸没式三模制的成本效益，我们需要350 - 400瓦的源功率。”“因此，EUV光源需要取得实质性进展，才能使EUV光刻技术在对抗三重模式方面具有成本效益。”

Cymer激光等离子体EUV电源。

现在是面具
即使解决了这个问题，EUV掩模层缺陷也会造成另一种噩梦，部分原因是这些缺陷几乎不可能被发现，部分原因是即使发现了，也不一定能修复。

“EUV口罩有其独特的口罩缺陷，这在DUV口罩上是看不到的，”公司首席产品官Leo Pang说d2．EUV掩模坯料由41层双层构成，我们称之为多层。你可以在基材上有一个小缺陷，这将导致多层轮廓的变化。它会改变一点，弯曲一点。你不会发现它，因为外形的变化是非常渐进的，但它会对晶圆产生很大的影响。”

EUV掩模的多层缺陷无法修复。你要么把它们盖在吸收层下面，要么就得补偿它们的冲击。当它们暴露在外时，用口罩检测工具很难发现它们。最重要的是，很难预测它们对晶圆的影响。

Pang说:“弥补这一缺陷的方法是修改吸收器模式，在多层结构上挖一个洞，或者在多层结构上沉积额外的材料。”“但总的来说，这个问题还没有解决。多层缺陷情况正在好转。曾经有超过100个多层缺陷。Sematech已经成功地将其冠军数据上的缺陷减少到6到10个。使用的一种技术是移动模式以最小化影响，但可能仍然有两三个以上的内容没有被覆盖。你必须补偿它们，你需要EUV掩模和litho建模和仿真来计算补偿它们的最佳方式。”

结论
EUV仍然是半导体行业解决光刻问题和减少所需图案数量的最大希望之一。在7nm工艺下，目前的想法是，即使EUV也需要双模制程，但相比之下，193nm浸没技术将需要八模制程。定向自组装是另一种可能，目前正在进行认真的工作，以确定这种方法是否具有商业可行性。

但是，随着晶圆厂开始将10nm技术商业化，稳定他们的工艺，随着供应商开始为该节点推出工具和IP，接下来会出现比半导体行业历史上任何时候都要多的问题，如果EUV或DSA未能如期发挥作用，谁将能够负担得起爆炸性的研究成本。

-Mark LaPedus对本文也有贡献。