用于下一代设备的光刻选项

芯片制造商正在提高极紫外(EUV)光刻技术，以实现7nm和/或5nm的高级逻辑，但EUV并不是唯一的光刻选择。

一段时间以来，该行业一直致力于其他各种下一代光刻技术，包括新版本的EUV。每种技术都是不同的，针对不同的应用。有些人今天就在这里，而另一些人已经在研发部门呆了很多年。有些可能永远不会出现。

下一代光刻工具类型包括:

• EUV:今天的EUV光刻技术正在7纳米和5纳米上加速。此外，该行业正在开发下一代EUV技术，称为高数值孔径EUV (high- na)，目标是在2023年推出。
• 多波束直写:使用多波束，系统模式直接在晶圆上显示。
• Nanoimprint光刻:一种先进的压印工艺，在设备上创建微小的特征。

除了工具类型，该行业也在发展互补模式方法。这些方法与光刻系统一起工作，在设备上创建特征。其中包括自组装(DSA)，一种嵌段共聚物技术，可以组装成图案，以及自对齐技术，目前用于创建精细特征。

这种情况虽然令人困惑，但很有必要进行跟踪，因为其中一些技术可能在最先进的节点上变得至关重要。

光学到EUV到高na EUV
芯片制造商寄希望于此EUV在7nm, 5nm及以上的领先逻辑，今天没有其他可用的选择。另一个下一代光刻技术7nm和5nm技术要么还没有准备好，要么不适用。

接下来会发生什么就不那么清楚了。在3nm及以上，芯片制造商希望使用高na EUV，但在开发这项技术时还需要克服几个挑战。

在某种程度上，其他下一代光刻技术将发挥作用。它们的目标是逻辑、内存和特殊应用程序。

其他选择也随着光刻技术的进步而出现。该行业正越来越重视先进的包装例如，这是另一种提高性能和降低功耗的方法。此外，并非所有芯片都需要在最先进的节点上进行开发。使用传统的光刻系统，模拟、射频和其他器件都是在200mm或300mm晶圆厂的成熟节点上制造的。

“联华电子对成熟12英寸制程的需求很高，”该公司联席总裁Jason Wang表示联华电子他在最近的一次演讲中说。“随着5G、物联网、汽车和人工智能的新应用需要这些技术，我们预计在可预见的未来，推动这一需求保持强劲的市场条件。”

其他芯片即使包装不同，也需要先进的工艺。其中包括为人工智能设备开发的芯片，以及dram、fpga、图形集成电路和各种处理器。

从逻辑上讲，从20nm开始，该行业遇到了一个减速带。今天的193nm波长光刻技术是晶圆厂的主力技术，在40nm (20nm半间距)时达到了极限。为了解决这个问题，业界转向了多种模式技术来继续芯片缩放。这涉及到将芯片模式分成两个或多个更简单的掩模。然后将每个蒙版打印为单独的层。

在fab中，最常见的多模式技术叫做自对齐双模式(SADP)和自对齐四重模式(SAQP)。这使用一个光刻步骤，加上沉积和蚀刻步骤，使设备具有更细的间距。

SADP、SAQP和其他方案属于一个松散定义的类别，称为自对齐技术。多年来，自对齐技术一直用于内存、逻辑和其他芯片结构。自对准技术除了不同的材料外，还包括各种各样的工艺步骤。

“这些材料的变化是除了越来越多地使用自对齐的双或四图型以及其他自对齐结构的图型材料之外。这包括完全自对准触点或完全自对准通孔，以帮助处理边缘放置错误，”蚀刻产品战略副总裁Uday Mitra说应用材料．例如，在最近的一篇联合论文中，应用材料和IBM展示了新型材料的结果，从而将栅极电阻降低到更低的Vt(阈值电压)，并实现多Vt。我们进一步展示了材料工程的源极扩展可以提供13%的有效驱动电流增加。此外，我们还讨论了钴的使用如何实现持续的动力和性能扩展。”

自对准技术将继续在未来的扩展中发挥作用，即使行业转向EUV。如今，EUV光刻技术已发展到7纳米和/或5纳米。在EUV中，电源将等离子体转换为13.5nm波长的光，实现13nm分辨率。ASML的EUV扫描仪使用0.33 NA的镜头。

一些前沿芯片将采用5nm的EUV工艺。在这个节点上，EUV将需要某种形式的自对准技术，如SADP。

尽管如此，经过多年的拖延，EUV终于从实验室走向了工厂。超大规模集成电路研究公司(VLSI Research)首席执行官丹•哈奇森(Dan Hutcheson)表示:“我们已经完成了从‘如何让它工作’到‘如何让它更好’的转变。”“以前大部分都是科学。现在，当你把它转移到制造业时，它主要变成了一个工程挑战。”

虽然芯片制造商继续将EUV投入生产，ASML正在研究下一代EUV技术，称为高na EUV。针对3nm及以上，高NA EUV扫描仪的镜头为0.55 NA，分辨率为8nm。第一批系统将于2023年建成。

高na EUV利用了一个变形透镜。根据定义，一个变形透镜沿彼此垂直的两个轴产生不相等的放大倍数。在EUV下，两轴透镜在扫描模式下支持8倍放大，在其他方向上支持4倍放大。

如果说今天的EUV很难开发，那么高na EUV则是一个巨大的挑战。“高na EUV是一个庞大的工程项目，”该公司首席技术官Chris Mack说Fractilia．“高na EUV在未来还有很长的路要走。”

高na EUV价格昂贵，并且存在一些缺陷。“高na的价值主张是更好的分辨率，”技术董事总经理Richard Wise说林的研究．“但如果你的抗蚀系统是分辨率限制器，那么更大的扫描仪就不会给你带来那么多好处。在我看来，高na可能需要在抵抗方面取得重大突破。如果抗蚀剂在目前的基础上没有实质性的改进，那么高na普及率将受到挑战。”

即使是目前的EUV电阻也有问题。“去年没有戏剧性的新解决方案。该行业的主力仍然是化学放大电阻(CAR)。它有已知的变体。光酸相距3nm。它需要辐射化学和相关的二次电子扩散。如果你的光酸相距2nm到3nm，我们就不能指望在性能、分辨率和LWR方面有更好的表现。目前还没有人找到打破这种平衡的方法，尽管该行业仍在继续努力。”“不同类型的抗蚀剂，如金属、纳米颗粒和其他抗蚀剂，具有不同的光子激活机制。通常情况下，在某些情况下会有更好的解决方案，但往往会缺乏诸如保质期或缺陷之类的东西。 That seems to be part of the reason why we are still using organic resists. That’s because those alternative solutions, which may have better fundamental physics, have some other challenges associated with them.”

此外，该行业还需要重新设计3nm左右的EUV掩模。在EUV中，掩模是带有吸收剂的多层结构。基于钽材料，每个吸波器都由一个突出在掩模顶部的类似3d的特征组成。在操作中，EUV光以6º的角度撞击掩模，反射可能会在晶圆上造成阴影效应或光电罩诱导的成像畸变。这个问题被称为蒙版3D效果。

解决这一问题的方法之一是开发具有更薄吸收剂和新材料的EUV掩模。“掩模制造商一直在积极与设备制造商合作，以获得下一个技术节点的资格，”孟Lee说Veeco．“我们预计3nm及以上的掩模多层和吸收材料将会发生变化。”

直写和纳米压印
与此同时，多年来，直写或无掩模光刻被认为是终极技术。直写光刻最初是由IBM在20世纪80年代开发的电子束直接在晶圆上刻印微小特征的工具。

直写很有吸引力，因为它不需要昂贵的内存光掩模．但是单束电子束光刻的吞吐量太慢，对于批量生产IC来说成本太高。因此，单光束直写工具被降级到小众应用，如化合物半导体和光子学。

为了解决吞吐量问题，业界一直在开发利用多个电子束的直写电子束系统。有一段时间，几家公司正在发展多波束电子束光刻系统，如KLA, Mapper光刻和多光束。

这项技术很难开发。“真正的问题是吞吐量。直写光刻，即使有几十万甚至一百万光束，对于晶圆光刻来说也太慢了。”此外，还存在分辨率/吞吐量的权衡。当打印较小的特征时，直写工具必须变慢，使吞吐量更糟。”

还有其他问题。例如，在2014年，由于无法获得业界的资助，KLA停止了多束光刻的努力。

然后，在2016年，Mapper推出了多光束光刻系统。Mapper的目标是设计一个13,000束的系统。但它只成功开发了一个具有1352个波束的系统，每小时只有1片晶圆的适度吞吐量。

去年，Mapper公司破产了。ASML最近收购了Mapper的资产。但阿斯麦将不再继续开发Mapper的技术。

因此，Multibeam似乎是多束电子束光刻市场的唯一供应商。Advantest、Vistec和其他公司销售单束电子束光刻工具。

Multibeam正在开发一种多柱技术，该技术针对两个市场——用于小批量IC制造的光刻和安全。”Multibeam去年取得了长足的进步，今年又取得了巨大的发展势头，”Multibeam董事长兼首席执行官David Lam表示。“我们成功地将多柱电子束技术转变为跨越多种应用的平台，特别是IC制造和设备安全。客户活动已经进入高速发展阶段。”

多束电子束光刻不同于用于掩模刻写的多束电子束。简单地说，多波束掩模写入涉及在掩模上绘制更大、更宽容的特征。这就是为什么多波束掩模写入比多波束直写相对容易开发的原因。

多年来，掩模制造商一直使用单束电子束系统在掩模上书写图案。今天，IMS销售用于掩模写入的多光束电子束工具。NuFlare正在研究这项技术。

“随着EUV投入生产，多光束掩模写入越来越多地被采用。EUV掩模精度要求的增加要求使用较慢的电阻。这使得多波束更具吸引力。阿基》，首席执行官d2．

根据eBeam Initiative发布的一项调查，人们对多波束掩模书写的需求仍然很强烈。藤村说:“在对多波束掩模书写的认知调查中表达的压倒性信心对行业来说是一个积极的迹象，因为多波束有助于解决掩模周转时间问题，特别是对于书写较慢的电阻和复杂的掩模形状。”

与此同时,nanoimprint光刻亦处于不同的发展阶段。在20世纪90年代以来的作品中，NIL就像一个冲压过程。最初，电子束系统根据预先定义的设计在模板上形成图案。然后，在单独的衬底上涂上抗蚀剂。将模版压在基片上，在基片上形成特征尺寸低至5nm或更大的模版。

最大的挑战是覆盖，缺点和吞吐量，这阻碍了空空技术成为主流技术。“压印光刻是一种接触模式的方法。压印光刻被用于容错应用，”咨询公司HJL lithography负责人哈里·莱文森(Harry Levinson)说。

NIL分为两个阵营——内存和其他。一段时间以来，佳能一直在开发一种专为生产NAND闪存和其他内存类型而设计的NIL系统。

东芝是NIL的主要支持者，它已经使用佳能的NIL系统来生产平面NAND。现在，佳能的系统正逐步向东芝3D NAND设备的生产迈进。

3 d与非是平面NAND的继承者。在3D NAND流动中，交替的材料层沉积在衬底上。然后，接触或通道孔的顶部图案。在下一步，等离子蚀刻机然后蚀刻微小的圆形孔或通道从设备堆栈的顶部到底部基板。

为了使接触孔成形，工业界使用传统的光刻技术。相反，东芝希望使用佳能的NIL系统来绘制接触孔图案。

佳能的NIL工具满足东芝应用程序的分辨率目标。该工具已经演示了14nm半螺距图形。该系统还具有80-90晶圆每小时的吞吐量与3.4nm覆盖。

图1:300mm晶圆上的半间距14nm抗蚀剂图案;(a)自上而下的SEM图像，(b)截面的SEM图像。资料来源:SK海力士，东芝

这里有一些障碍。最大的问题是覆盖，特别是在晶圆边缘附近。东芝内存高级研究员东木达彦(Tatsuhiko Higashiki)表示:“我们认识到，设备和面罩的性能已经达到了预期的目目值。”“我们正在优化围绕晶圆的工艺集成。”

除了内存，NIL还被用于其他应用程序。EV集团业务发展副主管Martin Eibelhuber表示:“增强现实设备、光学传感器和生物医学芯片的领先制造商已经在使用NIL，并意识到该技术的好处，包括能够大规模制造小于40nm的微纳米级结构，而不受设备尺寸的限制。”

此外，通常需要直接写入技术的复杂结构可以很容易地复制，对于许多设备来说，复制层可以直接用作产品中的功能层。纳米压印抗蚀剂供应商已经看到了这些趋势，现在提供具有广泛折射率的聚合物，并加强了对高折射率的关注，以支持衍射光学元件的制造。因此，我们预计纳米压印市场将随着这些产品的预计快速增长而迅速增长，”Eibelhuber说。

DSA在哪里?
DSA也是一项很有前途的技术，但由于各种各样的问题，发展势头已经放缓。DSA本身并不是一种工具技术。这是一种与其他光刻系统一起工作的互补模式方法。

DSA启用嵌段共聚物图案。在DSA中，光刻系统在结构上形成预先定义的图案。这种结构上涂有嵌段共聚物，然后自组装成微小的图案。

这个问题?“缺陷是实现大批量制造的定向自组装的最大挑战之一。尽管已经做出了相当大的努力来减少缺陷，但DSA的缺陷水平从未达到足以在大批量生产中获得良好良率的水平，”HJL的莱文森说。

尽管如此，布鲁尔科学公司、Imec公司、Leti公司和其他公司仍在研究DSA。“光刻技术的选择性利基领域，加上与自下而上的图像形成方法相关的纳米制造成本节约策略的需求，将继续支持使用定向自组装的势头，”玛丽安霍基说布鲁尔科学．

Hockey说:“用于高保真成像和自对准层的模式校正是用于DSA模式的一些设备设计方法。”“然而，DSA需要持续改进的主要挑战与高分辨率EUV光刻类似。其中两个挑战是设计意识的光刻布局，以及与实现低缺陷水平相关的质量监控。此外，利用薄保护层和蚀刻后线宽粗糙度进行蚀刻图案转移是成功实现的关键。随着3nm到5nm光刻器件的讨论，采用DSA来解决非常具体的器件设计要求是可行的。”

图2:使用Brewer Science的DSA材料的嵌段共聚物的虚拟表示。来源:Brewer Science

图3:使用Brewer Science的DSA材料形成的9nm线。

Brewer Science已经证明了DSA与EUV的使用。她说:“与双模式EUV相比，DSA和EUV的主要目的是节省成本。”“这项概念验证研究工作旨在证明节约成本的可行性，并显示出与EUV单次曝光非常等效的最终蚀刻结果。测量值表明，这两种方法是类似的后蚀刻临界尺寸。我们认为，由于通过三层材料堆叠的多层蚀刻配方的性质，最终蚀刻关键尺寸的结果由图案转移步骤决定。”

显然，有几种模式可供选择。对于高级节点，芯片制造商已将全部赌注押在EUV上。但如果EUV遭遇挫折，该行业将寻找其他创新方式。这意味着芯片制造商将需要更加重视先进的封装。

当然，并非所有芯片都需要EUV。一些设备将使用其他平版印刷类型。然而，还有待观察的是，哪些会走出实验室。

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