单模式与多模式EUV

极紫外线(EUV)光刻技术终于进入量产阶段，但代工客户现在必须决定是在7nm工艺上使用基于EUV的单模工艺来实现他们的设计，还是等待，转而在5nm工艺上部署EUV多模工艺。

每个模式方案都有独特的挑战，这使得决策比看起来更加困难。以7nm为目标，使用单次EUV光刻曝光在具有紧间距的器件上创建单个图案，但对于今天的电阻来说，这是一个相对缓慢的操作。它还会在图案上造成不必要的随机或随机缺陷，从而影响产量。此外，在最先进节点上工作的公司正在仔细研究在哪里投资他们的开发资源，因为5nm工艺已经在顺利进行中。

在5nm时，即使使用EUV，也需要在关键层上进行双图纹。尽管如此，这样做还是有一些重要的优势。例如，特征的音高可以放松，然后进行处理。反过来，这可以减少缺陷的数量。此外，许多处于领先地位的公司都精通多模式。缺点是它需要更昂贵的步骤，这进一步增加了已经是天文数字的IC设计成本。

无论哪种情况，EUV都会产生很大的影响。虽然芯片制造商已经将传统的193nm光刻和多制版工艺扩展到10/7nm，但在不使用EUV的情况下，要超越这一节点来实现最复杂的功能，难度太大，成本也太高。7nm是一个交叉点，至于采用哪种方式，目前还存在争议。即使在部署EUV的地方，设备的其他部分也将使用传统的图形技术开发。

目前为止，两者三星而且台积电将EUV提升到7nm。英特尔此外，该公司还在开发其7纳米版本的EUV，这与三星和台积电的5纳米工艺大致相当。不过，这项技术仍被认为相对不成熟，未经证实。里昂证券(CLSA)分析师塞巴斯蒂安•侯(Sebastian Hou)表示，由于上述原因和其他原因，晶圆代工客户苹果(Apple)将在“明年，而不是今年的7纳米工艺”采用EUV芯片。“归根结底，这是经济问题。即使EUV技术上已经准备好了，但产量/性能不高，客户也没有动力迁移。”

总之，EUV对IC行业来说是一个艰难的转变，无论是单一模式还是多模式。咨询公司HJL Lithography的负责人哈里•莱文森(Harry Levinson)表示:“要使EUV单模技术具有成本效益，仍然需要提高生产率。”“EUV双模式将是一个非常昂贵的命题。”

EUV真的准备好了吗?
今天的芯片由三部分组成——晶体管、触点和互连。晶体管位于结构的底部，起开关的作用。晶体管顶部的互连电路由微小的铜线组成。一块芯片可能有9到12层铜金属层。晶体管结构和互连通过使用触点的一层连接。

图1:各节点上的互连、触点和晶体管。资料来源:应用材料。

在工业达到28nm节点之前，光刻是一种简单的设备工艺。你把特征放在一个掩模上，然后用一次平版曝光将它们打印在晶圆上。这或多或少是一个单一的模式过程。从20nm开始，掩模上的特征变得过于密集，使得在晶圆上打印可识别的特征变得更加困难。

这就是多重模式适用的地方。在多个模式，原来的面具形状是放松的，分为两个或多个面具。西门子业务部门Mentor的DFM项目总监David Abercrombie在一篇博客中解释说:“每个掩模然后分别打印，最终将整套原始绘制的形状成像到晶圆上。”

今天，芯片制造商需要EUV，因为使用当今193nm光刻技术和先进节点的多图像化技术，对最困难的特征(如底层金属层和触点/通孔)进行图像化变得越来越困难。在晶圆厂中，最常见的多模制方法是双模制和自对准制。

图2:自对准间隔器避免掩模不对中。来源:Lam Research

图3:双重图案增加密度。来源:Lam Research

对于10nm/7nm的难处理金属层，一些人使用193nm浸泡和双重制模。双模式它的最小间距为38nm，使用两个光刻和蚀刻步骤来定义一个单层。这也被称为蚀刻-蚀刻(LELE)。有些使用三次图纹，这需要三次曝光和蚀刻步骤(LELELE)。

“这就是开始变得非常困难的地方。这是基于可变性控制，”公司产品营销总监迈克尔·勒塞尔说ASML．“如果你想要38纳米的双纹浸渍，这意味着你只是在做线。只要你想要除了光栅以外的任何东西，那么你就需要在理论数字的基础上更多的曝光。”

EUV有望解决这个问题。例如，193nm/多图案化工艺需要三次曝光才能在7nm工艺下处理关键金属层。单图案EUV使用单次曝光就能达到同样的效果。

然而，EUV的发展比预期的更加困难。在EUV中，电源将等离子体转换为13.5nm波长的光。然后，光线在EUV扫描仪中的10个多层镜子上反射。此外，EUV由多个组件组成，在芯片制造商将其投入生产之前，这些组件必须组合在一起。这些包括扫描仪，电源，电阻和掩模。

今年晚些时候，ASML将推出其EUV扫描仪的新版本，称为NXE:3400C。与目前的型号一样，新系统具有246瓦的电源，13nm分辨率。新工具的吞吐量为170片/小时(wph)，正常运行时间更长，而当前型号的吞吐量为125瓦/小时。

除了扫描仪，EUV掩模也是关键。“EUV的早期采用不需要复杂的OPC(光学接近校正)或ILT(反光刻技术)，因此有助于数据量，掩模上最小特征尺寸的要求，并得到充分的检查，”Aki Fujimura说d2．

还有其他方面。Veeco产品营销总监孟Lee表示:“EUV掩模基础设施已准备好在7nm处插入EUV。“掩模制造商一直在与设备制造商合作，以获得下一个节点的资格。我们预计3nm及以上的掩模多层和吸收材料将会发生变化。”

差距仍然存在。例如，芯片制造商想要一种能以90%的速度传输光的EUV薄膜。然而，作为EUV薄膜的唯一供应商，ASML的薄膜传输率为83%至84%。阿斯麦的Lercel说:“与我们去年谈论的相比，薄膜传输已经有所改善。”“我们正在改善薄膜，提高传输速率。我们还降低了扫描仪的缺陷。”

目前，一些公司在薄膜符合规格之前不会投入EUV生产。其他公司将在没有薄膜的情况下投入生产。光阻剂也有问题。在EUV中，扫描仪产生光子，然后光子撞击电阻并引起反应。每次活动的反应可能都不一样。这会在芯片中引起随机或随机诱发的缺陷。

当业界试图了解导致这些变化的原因时，它也在开发工具来定位这些缺陷。“随机缺陷/故障在本质上是随机的，需要对整个晶圆片进行高水平的检查覆盖。心理契约．“检测技术——例如基于机器学习的设计信息集成和缺陷分类——有助于隔离随机缺陷。为了补充光学检测，使用电子束技术进行高密度采样，尽管速度较慢，但可以提供关于cd分布的额外信息。”

单图与多图EUV
尽管面临挑战，晶圆代工厂仍在为EUV做准备。例如，台积电正在生产的7nm采用193nm/多制版工艺。今年晚些时候，台积电将在7nm制程的第二个版本中部署EUV，至少在一些层上。明年，它将转向5nm生产，其中将包含更多的EUV层。

同时，三星将在7纳米和5纳米阶段分别使用EUV。英特尔将为三星和台积电插入相当于5nm的EUV。

分析人士表示，在7纳米的波长下，EUV尤其适用于音高从38纳米或36纳米开始的单一特征模式。单图案EUV也将用于具有较大间距的触点/通孔。但这就是权衡开始的地方。对于金属层，193nm/多图案化扩展到单图案化EUV的起点。这意味着芯片制造商必须决定哪种技术，EUV还是多模式技术，适合这个应用程序。

此外，由于EUV的时间较晚，单图案EUV在7nm处的窗口已经缩小。虽然起始点是38nm/36nm，但单模EUV在32nm至30nm间距达到极限。在30nm pitch之外，需要双重制模，这属于5nm节点。双图纹EUV在7纳米是不切实际的。

代工客户可以将单模EUV设备投入生产，并将其推向极限。但他们必须决定在相对较短的时间内使用7nm EUV是否有意义。

“单图案EUV用于触点/孔有很强的用例。线条的单一图案的用例主要是设计的灵活性，”的管理技术总监Rich Wise说林的研究．“我们正在努力将音高降低到32纳米。但根据现有的抗蚀剂解决方案，几乎没有人相信它会降到30纳米以下。所以，在你不得不回到多模式解决方案之前，你的伸缩窗口非常狭窄。”

的确，这里存在一些技术挑战。使用单一图案的EUV，目标是打印具有紧密间距的特征。这需要一种具有正确灵敏度和剂量的坚固的EUV抗蚀剂。

剂量是光刻胶在光刻曝光系统曝光时所受到的能量(每单位面积)。对于光学光刻，它等于光强乘以曝光时间，”Fractilia的首席技术官Chris Mack在Lithoguru网站上解释道。

剂量在这一过程中起着关键作用。据专家介绍，EUV扫描仪的吞吐量与系统的EUV电源有关，然后除以剂量。例如，根据ASML的数据，在30mJ/cm²的剂量下，250瓦源的EUV扫描仪的吞吐量为每小时104至105片晶圆。

对于EUV，芯片制造商将使用不同剂量的电阻，大约为30mJ/cm²，40mJ/cm²和80mJ/cm²。低剂量一般为30mJ/cm²或40mJ/cm²，高剂量为80mJ/cm²。

在这两种情况下，都存在一些挑战。“假设你有一个窄音高的单一模式EUV。这需要很高的剂量。因此，你的吞吐量很低，”麦克说。

好消息是使用更高的剂量可以减少缺陷。使用较低的剂量(30mJ/cm²)，你会得到较差的音高。“在单一模式下，如果你试图使用低剂量，就会出现缺陷，”他说。

有了更好的抗蚀剂，单图案EUV可以打印没有缺陷的紧密特征，但这些抗蚀剂仍处于研发阶段。尽管存在缺点，但一些人认为单一模式比其他模式更有意义。“如果我在一家芯片公司领导一个EUV项目，我会追求支持EUV单一模式的电阻，”HJL的Levinson说。“双倍剂量比双倍模式要好得多。”

与单模EUV一样，双模EUV也具有挑战性。如果代工客户转向5nm工艺，他们将需要许多功能的双模EUV。

阿斯麦公司的Lercel说:“我们一直计划将EUV从单模变成双模。”“人们已经使用了单一图案的浸入式光刻技术。然后，他们想出了如何做双重图案。所以你有EUV单一图案。他们会尽量拖延时间，然后他们就会用双重模式。就像双重模式的沉浸感一样，它比单一模式的沉浸感更昂贵。”

不过，双图EUV是比193nm/ 5nm多图EUV更好的选择。Lercel说:“可能需要6、7或8次浸泡曝光，这根本行不通。”

双模式EUV涉及将芯片模式分成两个更简单的掩模。根据ASML公司的说法，每一层都被打印成单独的一层。在工厂，它有相同的基本工艺步骤浸没/双重模式。在双图型EUV中，想法是放松特征的音调并使用更高的剂量。这涉及到更昂贵的步骤，但它可以减轻缺陷。

根据IC Knowledge and，对于5nm的金属层，双图版EUV的起始点是26nm的间距电话．更大的触点和通孔将使用5nm的单图案EUV。

“EUV在制造业的方向将是放松的音调。获得无缺陷打印的唯一方法是打印比你想要的更大的尺寸，”Fractilia的麦克说。“它的音高在40nm左右。如果你选择比40nm稍小一点的间距，比如38nm，你就到了SADP在193nm浸没下的极限。与193nm的三层EUV相比，如果你能用单层EUV实现，你就开始进入一个有意义的经济领域。”

假设您想要使用双图版EUV的32纳米间距。“所以你要做两次64nm的pitch曝光，然后把它们交织在一起。然后，为了得到零缺陷的64nm，你不需要那么高的剂量。Imec．“你也许可以用30mJ/cm²的电阻。如果你从一个60mJ/cm²的曝光到2倍30mJ/cm²的曝光，光子的数量是一样的。这只是一些额外的处理。

“所以，我们现在处于7nm和7nm+节点的位置，该节点将拥有所有单曝光解决方案。一旦你超过了这个范围，你很可能至少有三个最具攻击性的金属层作为双重图案方案，”麦金太尔说。“这并不意味着单一模式不重要。例如，你的最低金属水平可能是在一个需要双重模式的音高。但是，上面的金属层，以及节省的很大一部分成本，仍然可以用单一图案的EUV来完成。我们所做的所有这些都是32nm或34nm的音高，无论它最终是什么，它仍然对N5和N3甚至更重要。有些层将采用多模式，虽然成本更高，但性能更高。”

无论如何，EUV双重图案有一些优点和缺点。“人们对多模式很感兴趣。然后，你可以放松音高。随机问题更容易处理。因为沉浸式游戏已经存在很长时间了，所以行业对多模式非常适应。这不是一项新技术。事实上，它已经建立起来了，客户也很满意。在某种意义上，多模式要容易得多。你的设计已经与它设计兼容了。”Lam的Wise说。

但这增加了成本和复杂性。“每增加一步，就有更多的可变性。需要更多的fab控制。想象一下，如果你有一个薄膜厚度的变化，这将显示为一个变化，在你的档案。而是更多的电影。一般来说有更多的周期时间。所有这些加起来，”怀斯说。

还有其他挑战。“EUV并不能解决边缘放置错误问题。有两个问题。随着规模的不断扩大，植入广告的预算会越来越小。所以你需要自对齐的方案。EUV的另一个大问题是随机性。随机失效是有问题的。这是随机的，LER(线边缘粗糙度)和纳米桥接和开放之间的过程窗口，”蚀刻产品战略副总裁Uday Mitra说应用材料．

“那么有效地，EUV音高(EUV可以使用0.33 NA进行单一图案)大约在35度左右。这样做的净效果是，当你去到更小的节点时，你不能做单一模式的EUV。你不能让音高低于30nm。你必须使用EUV双重图案。所以你被限制在一个非常短的范围内的单一模式EUV，然后它变成了双模式EUV，”Mitra说。“双重图案技术已经存在很长时间了。它可以很容易地扩展与EUV。最大的挑战是成本，因为EUV仍然是一个非常非常昂贵的过程。”

多模式选项
更复杂的是，有几种方法可以实现多模式EUV。其中包括:

• 双图案EUV。这需要两个光刻和蚀刻步骤。
• 自对准双模式(SADP) EUV。这使用一个光刻步骤，加上沉积和蚀刻步骤。
• 混合方法。
• 具有定向自组装(DSA)的EUV。DSA使用块共聚物，自对齐并创建模式。

每个方案都有其优点。“如果你可以用间隔辅助模式来做EUV，限制EUV的使用，那是可以的。但如果一层需要两次曝光EUV或三次曝光EUV，那么它就会变得非常非常昂贵。”Mitra说。

还有其他方法来看待这个问题。“考虑到这些节点上的金属层基本上是单向轨道，使用的双模式方法很可能是具有切割掩模的自对齐过程，而不是LELE模式分裂。带有单切口掩模的EUV SADP当然是一种选择。但是，为了有效地解决切割间距限制，可能需要更多的切割掩模(最有可能是选择性/自对准切割掩模)。”

那么，还有另一种方式来看待这个问题。“这取决于客户。对于某些客户，它可能是自对齐的多模式。那是他们的生计。他们对此非常熟悉。设计已经与它兼容，”Lam的Wise说。“然后，一些浸入式客户正在进行某些级别的蚀刻。你可以用EUV做同样的事情。你可以做2D设计。通过在轻松的球场上使用两次传球，你的随机情况是可以控制的。”

Imec开发了一种混合方法，类似于四重EUV模式。“它使用了EUV核心，然后进行了双间隔工艺，以及自对齐的岩石蚀刻-岩石蚀刻工艺。这是SADP/LELE和自对齐块的混合体。”Imec的McIntyre说。“总的来说，SA/LELE在潜在的过程控制方面提供了最大的灵活性。我们已经展示了从28纳米间距到16纳米间距的工艺。”

EUV DSA是另一种方法。“与双模式EUV相比，DSA和EUV的主要目的是节省成本。我们的方法大大节省了昂贵的EUV工具时间的成本，每小时曝光使用多种模式策略。它还提供了根据多次EUV曝光的要求而节省多个灯丝的成本的潜力。布鲁尔科学．

那么，最好的多模式解决方案是什么呢?“‘更好’的决定取决于一个人的指标(LER的可容忍水平、预算等)，以及在抗性和来源方面的可用性，”HJL的莱文森说。“我担心EUV的双重图案。它可能不是双重模式，而是三重模式。由于目前边缘放置误差的大小，与线/空间多重模式相关的切割或块掩模需要自对齐技术。但这些方法可能需要至少两个切割或阻塞口罩。”

显然，没有简单的解决办法。但无论如何，该行业需要开始使用EUV。多年来，它一直处于研发阶段，但收效甚微。能把薯片带出门就已经是一种成就了。

有关的故事

EUV的新问题领域

EUV到来，但未来还有更多问题

EUV掩模准备挑战