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曲线掩模的探索

为什么这项技术对芯片缩放至关重要,还有哪些问题需要解决。

受欢迎程度

半导体行业在先进曲线掩模的开发方面正在取得显著进展,这项技术对最先进节点的芯片设计以及更快、更便宜地制造这些芯片的能力具有广泛的影响。

现在的问题是,这项技术何时才能超越其以利基为导向的地位,进入大批量生产。多年来,业内一直致力于复杂曲线形状的先进开发光掩模使用反光刻技术(ILT)。这些复杂的掩模形状可以合并在两者上光学而且EUV但将这些技术投入大规模生产一直很困难。基于更传统的矩形形状的光学和EUV掩模已生产多年。

图1:(L)不同间距和方向的TrueMask ILT曲线掩模SEM, (R)对应的晶圆打印SEM。来源:d2

图1:(L)不同间距和方向的TrueMask ILT曲线掩模SEM, (R)对应的晶圆打印SEM。来源:d2

曲线ILT面具并不新鲜。它们是几种掩模中的一种,是IC制造供应链中的关键组件。在该流程中,芯片制造商设计一个IC,然后将其转换为文件格式。然后,在掩模设备中,基于该格式开发掩模。

掩模是给定IC设计的主模板。在一个掩模被开发出来之后,它被运送到晶圆厂。掩模放置在光刻扫描仪中。扫描仪通过掩模投射光线,掩模使图像在晶圆上形成图案。

今天的面具,包括那些基于光学和极紫外(EUV)光刻技术的面具,由类似矩形的微小特征组成,或所谓的曼哈顿形状。在某些情况下,掩模具有简单的曲线或直线形状。不过,在高级节点上,芯片制造商想要更高级的掩模。

这就是曲线ILT面具适合的地方。在近15年的工作中,ILT使用数学公式来计算掩模上所需的形状,这些形状是自由形式的曲线类型。ILT不仅增加了芯片制造的工艺窗口,而且还使晶圆上的形状具有最佳性能。这对于难以打印的小而复杂的特征非常重要。

但这仍然不容易。曲线ILT技术需要大量的计算能力来运行算法。它还需要合适的口罩制造设备。也不是所有的部分都到位了。所以多年来,ILT技术在起步阶段遇到了一些困难。它主要用于面向利基的应用程序,如热点。这就是掩模布局中只有一小部分需要ILT,而其余部分使用传统和简单的功能。另一方面,曲线ILT掩模开始在有限的情况下生根,特别是在内存中。

HJL Lithography的负责人Harry Levinson说:“曲线ILT产生的过程窗口比仅使用Manhattan特征更好。”“曲线还没有用于大批量生产。由于所需的计算时间较长,ILT被少量使用。”

世界卫生组织的一项调查显示,到2023年,所有类型的口罩上的曲线形状都将变得更加普遍eBeam倡议.但为了加快这一进程,该行业正在采取一些措施,包括:

  • 英特尔、三星和台积电以及EDA供应商最近成立了一个工作组,该工作组正在开发一种新的文件格式标准,以处理曲线掩模形状的复杂性。已经提出了几种格式标准,该小组最近概述了它们的现状。
  • D2S开发了一个计算系统,可以在一天内完成ILT设计。西门子、Synopsys和其他公司都有各种ILT产品。
  • 英特尔的IMS纳米制造单元和NuFlare正在分别准备他们的下一代多光束掩模写入系统,以绘制复杂的掩模,包括曲线特征。

Sub-wavelength时代
在20世纪90年代,IC供应商使用365nm波长光刻系统来绘制芯片中的特征。当时,光刻工艺相对简单。IC特征尺寸大于光刻波长。

到20世纪90年代中期,IC供应商在250纳米和/或180纳米节点的芯片生产中转向248nm波长光刻扫描仪。突然之间,芯片的特征尺寸变得比光刻波长更小,半导体行业进入了所谓的亚波长时代。

这反过来又增加了光刻和掩模制造的复杂性,并要求整个供应链进行一些重大改变。首先,行业需要一个新的数据格式标准。直到2004年,GDSII是半导体行业事实上的数据文件格式标准。如前所述,在流程中,IC设计被转换为数据文件格式。该格式表示芯片设计的物理布局。

然而,GDSII是有限的。因此,在2004年,业界开发了一种新的数据文件格式标准,称为开放艺术品系统交换标准(OASIS)。OASIS定义了芯片设计和制造中几何形状所需的代码,在今天的芯片中使用的比例很大。

亚波长时代还需要掩模的新创新,如分辨率增强技术(ret)。Fractilia首席技术官Chris Mack解释说:“(ret)旨在提高给定数值孔径和波长的光刻工具的可用分辨率。

一个RET,叫做光学接近校正(OPC),从2001年的250nm节点开始成为一项要求。OPC包括在面具上形成微小的辅助特征。这些特征不会打印在晶圆上。相反,它们会修改和增强掩模图像模式。

“OPC使用基于规则和模型的方法来修改布局形状,以补偿光刻非线性,”MPC和掩模缺陷管理总监Peter Buck解释说西门子数字工业软件

同时,在流程流中,文件格式(OASIS)被发送到芯片制造商,由其处理计算密集型的OPC过程。从那里,数据被发送到掩模供应商,在那里制作掩模。传统光学掩模尺寸为6 × 6英寸,1 / 4英寸厚,由玻璃基板上的不透明铬层组成。

要制作蒙版,第一步是创建一个蒙版空白。由掩模坯料供应商制造,坯料作为掩模的基础结构。一旦空白完成,它就被运送到掩模供应商。然后,在掩模设备中,对掩模空白进行图案、蚀刻、修复和检查,从而创建具有独特功能的掩模。

模式化步骤是至关重要的。在此过程中,使用基于给定IC设计的掩模写入系统对坯料进行模式化。在21世纪初,现有的面具编写者失去了动力,促使该行业转向一种新技术。

从21世纪初开始,掩模制造商开始采用基于可变形状光束(VSB)技术的单光束电子束掩模写入系统。VSB的作者使用一对叠加的光圈来创造一个镜头。面具图案由矩形和直角三角形镜头组成,”巴克说。

每个面具都是不同的。一个电子束面具作家会花很少的时间来图案一个简单的面具。复杂的掩码需要较长的时间。业界使用术语“写入时间”,这决定了电子束写入掩模层的速度。

尽管如此,掩模制造商还是挺过了亚波长时代,至少最初是这样。使用VSB掩模编写器和其他设备,掩模供应商能够开发简单和复杂的掩模。

另一项创新出现在2007年,当时一家名为Luminescent的初创公司推出了ILT技术。ILT被认为是一种RET,它是OPC的一种更复杂的形式,可以在掩模上实现直线和曲线形状。

“(在ILT中),你知道你想打印的东西。如果你能模拟扫描仪光学,那么你就能逆向计算出掩模上的内容。因此,这将给你的模式保真度和最佳的工艺窗口,”Leo Pang解释说,首席产品官和执行副总裁d2他在几年前的一次采访中说。彭浩翔曾于2004年至2014年担任Luminescent高管。(Luminescent不再作为一个单一实体经营。公司的部分业务被Synopsys和KLA收购。)

ILT和OPC略有不同。根据一位专家的说法,在OPC中,你从一个简单的模式开始,通过音高和特征尺寸进行筛选——这是一种校准结构。然后,您评估晶圆上的印刷适性,并创建模型以生成放置在设计模式上特定位置的工件。这给你晶圆上预期的结果。

不管怎样,ILT走在了时代的前面。首先,处理ILT数据需要大量的计算能力。而且使用VSB掩模写入器,ILT的写入时间太长了。

所以ILT转到次要位置。不过,该行业并没有放弃曲线式功能。在OASIS标准下,曲线形状是可以识别的,但还没有完全开发。基本上,OPC可以生成直线和简单的曲线形状。

尽管如此,在21世纪后期,向OPC和其他形式的ret的转变创造了更复杂的面具。因此,电子束掩模编写工具需要更长的时间来绘制掩模,从而影响掩模的周转时间和成本。

从2001年到2005年,电子束写入时间保持不变,平均每个掩模组8小时。然后,从2007年到2012年,平均写作时间增加到10小时。到2010年代,写入时间达到24小时或更长。

多波束时代
幸运的是,有一个解决方案。2016年,英特尔(Intel)旗下的IMS发布了全球首个智能手机多波束面具的作家。与传统的单波束系统VSB工具不同,IMS的多波束掩模写入器利用262,144个小波束来加快掩模的写入时间。

该系统解决了写入时间问题。多波束工具的写入时间是恒定的,所有掩模的写入时间为12小时或更短。DNP的研究员Naoya Hayashi在SPIE高级光刻技术上的一次演讲中说:“你有一个固定的写入时间,与拍摄次数或图案复杂性无关。”“多光束掩模写入器对于EUV掩模等复杂和高精度掩模至关重要。”

EUV这是一种新一代光刻技术,利用13.5nm波长在芯片上绘制微小特征的图案。2018年,芯片制造商在7nm逻辑节点插入了ASML的EUV扫描仪,以解决一个重大问题。芯片制造商利用多重制模技术,将传统的193nm光刻工艺扩展到7nm。但在今天的5nm工艺节点上,使用这些技术太复杂了。

这就是EUV适用的地方。EUV简化了工艺,使芯片制造商能够在7nm及以上的工艺上对最困难的特征进行刻印。如今,一些芯片制造商正在使用阿斯麦的7纳米和5纳米EUV扫描仪。

像光刻一样,EUV也需要掩模。但EUV掩模是不同的。EUV掩模由衬底上薄的硅和钼交替层组成。这就产生了250纳米到350纳米厚的多层堆叠。

EUV掩模与光学掩模一样。开发了EUV掩模坯料,然后使用多光束掩模写入器进行模压。然后,对结构进行蚀刻、修复和检查,创建EUV掩模。

图2:EUV掩模制作步骤。来源:Sematech

图2:EUV掩模制作步骤。来源:Sematech

EUV掩模使用传统形状。D2S首席执行官藤村昭说:“如今,面具上绝大多数形状都是曼哈顿形状,即平行于轴的直边和90度角,尽管也有一些使用45度边。”

虽然这些形状适用于光学和EUV掩模,但业界现在将目光投向了领先于当时的ilt技术。

教师时代?
与以前一样,业界希望开发全场曲线ILT面罩。光学和EUV掩模都可以由这些曲线形状组成。

热点修复使用ILT也是一种选择。在这种情况下,蒙版的一部分将需要使用ILT的曲线形状。面具的其余部分将使用传统和简单的形状。

在所有情况下,ILT都是一种使能技术。它有望缓解限制并实现最困难的功能,例如IC设计中的微小触点、切口和过孔。藤村说:“反光刻技术是光学接近校正的一种先进形式。”“我们的目标是设计掩模形状,使晶圆上给定的目标设计形状能产生最佳的晶圆性能。晶圆性能的衡量标准是晶圆上的标称形状与晶圆上的投影有多接近,以及晶圆上的形状对制造变化的弹性有多大。”

热点修复并不是什么新鲜事,它已经使用了很多年。供应商已经演示了全场ILT面罩。但这些口罩还没有大规模生产,尽管它们只在有限的情况下用于记忆。

曲线ILT掩模可能在2023年在3nm/2nm的时间范围内变得更加普遍。然而,在3nm/2nm工艺上,挑战是巨大的。根据IRDS路线图,在3nm节点上,器件的最小特征尺寸为12nm,而在5nm节点上为15nm。

然后,在晶圆厂中,EUV光刻技术在5nm及以上从单模转向双模。该公司副总裁Richard Wise表示:“EUV的多种模式是可行的,但也会给客户带来额外的成本林的研究.此外,覆盖仍然是EUV的一个挑战,因为扩展导致覆盖目标更加激进。”

光刻技术并不是唯一的挑战。该公司集成解决方案规划副总裁Kazuya Okubo表示:“新型薄膜、蚀刻和清洁技术的5nm后协同优化对于实现低成本的工艺集成至关重要电话在SPIE先进光刻技术的一次演讲中。

尽管如此,ILT还是有一席之地的。“即使是EUV,我们仍然需要使用戏剧性的掩模修正。很多时候,传统的曼哈顿形状的图案是不够好的。如果我们保持曼哈顿形状,过程窗口和PV带就会受到影响。ILT实际上起到了拯救作用。台积电在最近由eBeam Initiative赞助的一个小组讨论会上,他说。

但是,在曲线ILT掩模技术进入大规模生产之前,必须具备几个技术,即新的文件格式标准、更强的计算能力和先进的掩模设备。

首先,该行业将需要一个新的曲线技术数据文件格式标准。首先,EUV掩模的数据量正在爆炸式增长。根据三星和西门子最近的一篇论文,与光刻相比,EUV每个掩模的数据量增加了5倍。根据该论文,曲线ILT的数据量预计将进一步增加。

目前的数据格式标准OASIS可以识别曲线形状,但还不足以表示复杂的ILT数据。

“曲线为小特征提供了更好的处理纬度。获得曲线结构的主要方法是使用反光刻技术,”西门子的Buck说。“曲线创造了更大的数据量。不再是直线形状,而是有很多小边段的曲线形状。这将导致SEMI P44 (OASIS)布局格式中的数据量激增。这需要一个新的解决方案。”

作为回应,该行业在2019年成立了一个新的数据格式工作组,以解决曲线数据表示的需求。该集团由三星、台积电和英特尔推动,西门子、日本控制系统、D2S、Aselta和ASML-Brion代表。

这些公司计划正式成立SEMI下属的工作小组。目标是开发一种基于曲线技术的新的文件格式标准。拟议的标准不会取代OASIS,而是当前标准的一个子集。

如今,业界正在研究四种方法或可能的标准——二次Bezier、b样条、多边形简化和基于曲率的碎片化(CBF)。

每一种都有不同的方式来表示曲线数据。二次Bezier和b样条是曲线拟合方法。三星和西门子的论文称:“二次贝塞尔曲线由3个控制点定义。”二次b样条曲线是分段曲线,其中每个分量可以用二次多项式表示。

“这是两种比分段线性多边形更有效地表示曲线模式的方法。根据允许的装配公差,与使用这些方法的P44 OASIS相比,我们看到的压实范围为2 - 8倍。”

缺点是,EDA工具从OPC到掩码写入都需要修改,以支持新的曲线格式,并且需要定义新的或修改过的布局格式。

相比之下,多边形简化和CBF利用了OASIS方法。Buck说:“这两种方法都使用标准P44 OASIS,因此不需要新的格式。”多边形简化或基于曲率的碎片的插入可以在OPC中完成,也可以在MPC的读入中完成。磁带制作后流程中的其他工具可能不需要更改。多边形简化方法试图使用边缘位置误差和面积损失等指标去除不必要的顶点。CBF,或基于曲率的碎片,重新碎片形状,以基于局部曲率半径的碎片大小共同优化数据量、准确性和MPC运行时。”

到目前为止,在这方面还没有达成共识。虽然业界试图制定出一个标准,但在ILT面具被采用之前,其他方面还需要落实到位。与曲线ILT掩模相关的处理或运行时间过长,限制了该技术的实际应用。

作为回应,D2S最近推出了gpu加速的硬件和软件系统,可以在一天内实现无缝合全芯片ILT的高级设计。这是一个很好的开始,尽管工业可能需要更大的马力来生产下一代ILT面罩。

如果这还不够,该行业必须以可接受的成本大批量生产曲线ILT口罩。基本上,曲线ILT口罩和其他口罩一样。

模式化步骤将需要一个多波束掩模写入器。事实上,英特尔的IMS部门和NuFlare正在为3nm节点准备下一代掩模写入器。

IMS正在发布其第二代工具MBMW-201,这是一个50KeV系统,具有262,144个光束。IMS正准备推出一个新的50KeV版本,称为MBMW-301,目标是3nm。与此同时,在最初的多波束系统启动失败后,NuFlare正在准备其下一个版本。MBM-2000是一种多波束工具,具有16nm波束。

除掩码书写外,检查也很重要。使用检测系统,掩模供应商想要寻找掩模上的缺陷。“正如预期的那样,曲线设计的口罩与标准口罩相比更具挑战性。心理契约.“在掩模车间,需要利用模到数据库算法并利用更高的计算和存储容量的先进系统,以满足更复杂和计算密集型的数据库处理的要求。在IC晶圆厂,需要采用模对金线检测技术来解决传统模对金线比较所带来的图案保真度变化引起的麻烦。”

口罩修复,即在口罩店中快速修复口罩缺陷的艺术,也是具有挑战性的。该公司技术和产品开发总监Jeff LeClaire表示:“掩模修复中传统的硬缺陷和软缺陷挑战,是由整个掩模制造过程中的污染和掩模特征尺寸的减小所带来的,预计将继续用于3nm及以上的掩模技术。力量

结论
显然,掩膜制造商希望掩膜上有曲线形状,特别是在3nm及以上的EUV上。

ILT的许多碎片正在到位。还有一些差距需要解决。

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1评论

疯狂的 说:

又一篇精彩的文章,涵盖了历史、基本原理和细节——我不明白为什么其他人不停下来评论,这篇文章已经被分享了100多次。
问个简单的问题:
一个掩模只在晶圆上给出一种图案,混合了“接触打印”和自由空间射线的傅里叶变换。然而,相反的情况是不正确的,对于晶圆上的给定模式,有许多可能的掩模特征-正如曼哈顿或ILT所见证的那样。一个人如何从几乎无限的选择中选择最好的掩模图案呢?

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