EUV-литография: перспективы освоения

EUV-литография: перспективы освоения

Выпуск 14 (6713) от 23 июля 2020 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

В 2018 г. корпорация Samsung первой начала серийное производство интегральных схем с использованием EUV-литографии. Первоначально предполагалось, что эта технология даст возможность изготовителям интегральных схем избавиться от сложных, длительных и дорогостоящих процессов двукратного и многократного формирования рисунка, которые, тем не менее, позволяли продлить использование оптической 193-нм литографии на производство интегральных схем с топологиями 10/7 нм. Теперь же выяснилось, что для освоения проектных норм порядка 5/3 нм с помощью EUV-литографии также придется использовать методики двукратного формирования рисунка. Правда, этого можно избежать, увеличив аспектное отношение с 0,33 до 0,55. Помимо прочего, дальнейшее развитие EUV-литографии требует совершенствования резистов, шаблонов, пелликул и т. д.

Технология EUV-литографии, которая начала разрабатываться в 1980–1990-х гг., наконец-то освоена в серийном производстве. Первой это сделала корпорация Samsung в июне 2018 г., в 2019-м ее примеру последовал крупнейший кремниевый завод TSMC. Были выпущены первые ИС по 7-нм техпроцессу, а сейчас TSMC приступил к изготовлению 5-нм ИС. Намеревается освоить EUV-литографию и корпорация Intel, которая была одним из первых разработчиков данной технологии, а в середине 2010-х гг. отказалась от нее. Существуют планы освоения производства 3-нм ИС с использованием EUV-литографии, а затем, спустя год или два, – перехода к 2-нм топологиям. При этом для освоения перспективных технологий потребуются существенные вложения в НИОКР, окупаемость которых неясна. Надо отметить, что на разработку технологии EUV-литографии в период с 1990-х по 2017–2018 гг. было вложено, по различным оценкам, 10–20 млрд долл.

Процесс EUV-литографии на современных заводах по обработке пластин требует крупногабаритных и дорогих установок пошаговой литографии (степперов), формирующих структуры ИС при помощи 13,5-нм излучения. EUV-литография – одно из основных средств, позволяющих осуществлять традиционное пропорциональное уменьшение топологических элементов (масштабирование) на новейших технологических уровнях. Этот процесс позволяет сокращать размеры функциональных блоков и интегрировать их на одном монолитном кристалле. Но с каждым новым технологическим поколением масштабирование кристаллов ИС становится все дороже, а получаемые от этого выгоды уменьшаются. В настоящее время изготовитель ИС, пожелавший приступить к использованию EUV-литографии в крупносерийном производстве, должен быть готов к первоначальным затратам в размере не менее миллиарда долларов.

Масштабирование ИС способствует повышению производительности (на каждом технологическом поколении) некоторых типов приборов, таких как ДОЗУ, вентильные матри-

цы, программируемые пользователем (FPGA), графические и центральные процессоры. Такие конечные применения, как автомобильная электроника, искусственный интеллект, серверы и беспроводные средства связи, нуждаются во все более быстродействующих ИС со все более широкой функциональностью. Однако не для всех конечных применений требуются минимальные топологии – для Интернета вещей и многих других конечных систем подходят ИС, реализованные по более зрелым топологиям.

В свое время предполагалось, что EUV-литография начнет использоваться в середине-конце 1990-х гг. на уровне 90-нм технологических процессов. Сейчас же окно ее возможностей ограничено 10/7-нм и 5/3-нм топологиями. Возможность освоения технологии конкретным изготовителем ИС зависит от того, сможет ли полупроводниковая промышленность расширить область применения EUV-литографии за счет 3/2-нм и, возможно, меньших топологий. Непреодолимых препятствий для этого с технической точки зрения нет, однако стоит вопрос экономической целесообразности. Надо также учитывать, что применение EUV-литографии обеспечивается не только производителями степперов, но и поставщиками шаблонов, контрольно-измерительных средств, резиста и т. д.

В целях расширения возможностей EUV-литографии в настоящее время ведутся работы по нескольким направлениям:

корпорация ASML, пока монопольный поставщик EUV-степперов, планирует представить в 2021 г. новую установку, а также осуществляет НИОКР по созданию EUV-установок следующего поколения;

ведутся работы по перспективным EUV бинарным шаблонам и шаблонам с фазовым сдвигом;

создаются новые EUV-пелликулы (тонкие пленки) и резисты.


Новые установки

В течение многих лет производители ИС использовали средства оптической литографии, самыми последними из которых стали 193-нм установки. Благодаря применению методик многократного формирования рисунка удалось продлить применение этой технологии до 10/7-нм топологий, но на уровне 5-нм топологий возможности оптической литографии оказались полностью исчерпанными.

В настоящее время, как уже говорилось, единственным поставщиком EUV-степперов и сканеров является голландская корпорация ASML. В 2019 г. она поставила заказчикам 26 установок, а в 2020-м намерена отгрузить еще 35 систем. В портфеле заказов корпорации насчитывается 56 установок (см. таблицу).


ТАБЛИЦА

УСТАНОВКИ EUV-ЛИТОГРАФИИ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ASML

Установка

Год начала выпуска

Числовая апертура

Характеристики

NXE:3400C

2019

0,33

Разрешающая способность 13 нм. Мощность источника излучения 246 Вт. Производительность: 170 пластин в час при дозе облучения 20 мДж/см2 и 140 пластин в час при дозе облучения  Дж/см2

NXE:3600D

2021

0,33

Разрешающая способность 13 нм. Производительность: 170 пластин в час при дозе облучения 30 мДж/см2

high-NA EUV system

(название не определено)

2022

0,55

Разрешающая способность 8 нм. Вместо традиционного объектива используется анаморфный объектив с высокой числовой апертурой, поддерживающий 8-кратное увеличение в режиме сканирования и 4-кратное увеличение в другом режиме. Конструкция кристалла ИС может быть разнесена на два шаблона. Установка предназначена для формирования рисунка 3-нм ИС с 2023 г.


Ряд проблем, характерных для EUV-установок, влияют на их производительность. Так, среднее время непрерывной работы (по отношению ко всему времени использования) составляет 85%, а по 10 лучшим установкам – 90%. Для сравнения, 193-нм сканеры работают без перерывов. Кроме того, EUV-литография подвержена нежелательным эффектам, известным как стохастические. EUV-сканер генерирует световое излучение, или фотоны. Световое излучение, попадая на резист, посылает определенное число фотонов в материал для создания рисунков. В идеале фотоны должны равномерно распределяться по всему резисту, но это происходит не всегда. В случае таких сбоев в кристаллах ИС могут возникать дефекты в виде разрывов токопроводящих дорожек или сливающихся контактных отверстий (missing and kissing contacts).

Недавно японская корпорация TEL, один из ведущих поставщиков полупроводникового оборудования, опубликовала статью, в которой рассматривалась проблема отсутствия или дефектного формирования контактных отверстий (missed holes) при EUV-формировании рисунка. Специалисты TEL изучили реакции на границе раздела фоторезиста и лежащего под ним слоя. Было обнаружено, что состояние поверхности подлежащего слоя было в значительной степени связано со стохастической ошибкой вспенивания в растворяемой области резиста вокруг нижней части межслойного переходного отверстия. Отмечается, что преимущества, заключающиеся в снижении количества дефектов отсутствия или неправильного формирования межслойных переходных отверстий, достигаются за счет применения негативного резиста (negative tone type resist, NTD). Это обусловлено тем, что проявляющий раствор для NTD обладает желательным балансом между резистом и подложкой. Важно понять механизм десорбции резиста в процессе проявления и найти подходящее решение, позволяющее минимизировать коэффициент ингибирования растворения резиста.


Новые шаблоны

Промышленность продолжает разрабатывать новые типы EUV-шаблонов. Традиционные оптические и EUV-шаблоны различаются, но технологические процессы их изготовления аналогичны. Первый шаг – создание подложки, или необработанного шаблона. Затем на нее наносятся и вытравливаются необходимые рисунки, в результате чего создается шаблон. Далее он проверяется на наличие дефектов, и, наконец, на него наносится пелликула – тонкая мембрана, защищающая шаблон от падающих частиц или загрязнений.

В оптической литографии шаблон состоит из непрозрачного слоя хрома на стеклянной подложке, который в некоторых местах вытравливается до стекла. Это – бинарный шаблон (binary mask). При работе световое излучение проходит только сквозь непокрытые участки стеклянной подложки.

Изготовители ИС также используют в оптической литографии шаблоны с фазовым сдвигом, разработанные еще в 1980-х гг. В них для улучшения качества при формировании рисунка применяются различные материалы. Есть два типа таких шаблонов: шаблоны с чередующимся фазовым сдвигом (alternating phase-shift mask) и шаблоны с затухающим фазовым сдвигом (attenuated phase-shift mask). Шаблоны с чередующимся фазовым сдвигом напоминают бинарные шаблоны – разница лишь в том, что стеклянные области могут быть толще или тоньше (рис. 1).



Источник: Wikipedia

Рисунок 1. Различные типы шаблонов:

а – стандартный (бинарный) шаблон;

б – шаблон с чередующимся фазовым сдвигом;

в – шаблон с затухающим фазовым сдвигом


Шаблоны с затухающим фазовым сдвигом также напоминают бинарный шаблон, но вместо хрома в них используется материал на основе силицида молибдена (MoSi). Поскольку MoSi, в отличие от хрома, частично прозрачен, световое излучение частично пропускается (обычно 6%), а фаза смещается.

Бинарные, фазовые и другие типы шаблонов хорошо себя зарекомендовали и широко используются в оптической литографии. В то же время в EUV-литографии пока используются лишь бинарные шаблоны, а EUV-шаблоны с фазовым сдвигом только разрабатываются.

В отличие от оптических шаблонов, пропускающих световое излучение, современные бинарные EUV-шаблоны отражают УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм. EUV-шаблон обычно состоит из 40–50 чередующихся слоев кремния и молибдена, сформированных на подложке (рис. 2). Получается многослойная этажерка толщиной 250–350 нм, на которую наносится покрывающий слой из рутения, а на него – танталовый поглотитель.



Источник: ASML

Рисунок 2. Стандартная структура EUV-шаблона


Поглотитель осуществляет 3D-подобную функцию. В ходе технологического процесса EUV-излучение падает на шаблон под углом 6°. Возникающие при этом отражения могут вызвать затенение или индуцированные шаблоном аберрации изображений на пластине, что приводит к нежелательным изменениям в расположении рисунков (эффект 3D-маскирования). Для смягчения этих эффектов можно уменьшить толщину танталового поглотителя, однако она составляет всего 60 нм и может быть уменьшена лишь до 55 нм, что не решает проблему.

Современные бинарные EUV-шаблоны работают на уровне 7/5 нм, но производителям ИС уже нужны новые версии для технологических уровней с топологиями 3 нм и менее. В этой области ведутся НИОКР, в рамках которых в качестве замены танталу рассматриваются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), такие как никель и т. п. Межуниверситетский центр микроэлектроники IMEC в Бельгии уже продемонстрировал в лабораторных условиях поглотитель на основе никеля толщиной 30 нм, способный снизить эффекты 3D-маскирования. Проблема в том, что никель и другие high-k материалы трудно поддаются травлению и потом – очистке. Отдельное направление работ – создание EUV-шаблонов с затухающим фазовым сдвигом. Идея здесь в том, чтобы заменить тантал материалом с более низкой диэлектрической проницаемостью.

Кроме того, для EUV-шаблонов подобраны несколько материалов, потенциально способных заменить рутений. Но для шаблонов с фазовым сдвигом он пока остается наиболее предпочтительным вариантом. В целом индустрия шаблонов очень консервативна в плане замены материалов. К материалу-кандидату предъявляется множество требований – он должен выдерживать режимы работы EUV-установки и при этом не должен выделять газы или каким-либо образом загрязнять оптику. Кроме того, он должен быть легко очищаемым, ремонтопригодным и, наконец, однородным, аморфным, долговечным и устойчивым по отношению к чистящим материалам и Н-радикалам, генерируемым высокомощным EUV-излучением.

Разработчики отмечают, что EUV-шаблоны как с чередующимся, так и с затухающим фазовым сдвигом обладают потенциалом улучшения контрастности изображения, что позволяет повысить качество формируемых изображений. Кроме того, использование этих шаблонов ведет к снижению случайных изменений (стохастических вариаций), таких как шероховатость поверхности или неравномерность краев элементов. В то же время при разработке EUV-шаблонов с фазовым сдвигом и перспективных бинарных шаблонов возникают свои трудности, обусловленные тем, что EUV-шаблоны сложнее оптических.

Со временем полупроводниковой промышленности потребуются современные и перспективные EUV-шаблоны – как бинарные, так и с фазовым сдвигом. Перспективные бинарные шаблоны идеально подходят для формирования токопроводящих дорожек и пространств между ними, в то время как шаблоны с фазовым сдвигом предназначены для формирования контактных отверстий и межслойных переходных отверстий.

По оценкам специалистов, шаблоны с фазовым сдвигом могут оказаться эффективнее для достижения более высокого нормализованного логарифмического наклона изображения (normalized image log-slope, NILS) по сравнению с бинарными шаблонами на high-k материалах. С другой стороны, high-k бинарные шаблоны более универсальны.

Отмечается, что новые типы EUV-шаблонов появятся не раньше, чем через два-три года.


Учесть все условия

Как видим, отрасль разрабатывает несколько новых EUV-технологий. Но как они будут между собой сочетаться?

Еще в 2018 г. корпорация ASML представила EUV-сканер с числовой апертурой 0,33 для производства 7-нм ИС. На этом технологическом уровне шаг контактов затвора составляет 54–64 нм, а шаг металлизации – 40 нм. EUV-литография используется для формирования выбранных топологических элементов с шагом, начиная от 40 нм, используя метод однократного (за один заход) формирования рисунка. Идея в том, чтобы разместить все топологические элементы ИС на одном шаблоне и воспроизводить их на пластине с использованием однократной литографической экспозиции.

Производители ИС хотели бы максимально расширить применение метода однократного EUV-формирования рисунка, так как это – простой процесс. Есть несколько способов продвинуть эту технологию. Это увеличение производительности установки, повышение качества изображения и мощности источника излучения, улучшение совмещения. EUV-шаблоны с фазовым сдвигом для установок с числовой апертурой 0,33 не улучшат разрешающую способность ниже заявленных 13 нм. Однако за счет использования фазового сдвига производители ИС могут увеличить контрастность и слегка ужесточить используемое разрешение. Что еще более важно – применение подобных шаблонов снижает эффекты 3D-маскирования.

Как известно, корпорация TSMC начала отгрузки 5-нм ИС, характеризующихся 48-нм шагом контактов затвора и 30-нм шагом металлизации. Вскоре выпустит свои 5-нм ИС и Samsung. Сообщается, что в 5-нм процессе TSMC используется EUV-литография для формирования более чем 10 слоев, при этом число шаблонов в комплекте уменьшено до 81 по сравнению с 7-нм процессом.

Конечно, изготовителям ИС хотелось бы применять только однократное EUV-формирование рисунка и на уровне 5-нм топологий, а если это не удастся – минимизировать применение двукратного EUV-формирования рисунка. Причина – усложнение процесса, увеличение его длительности и стоимости. Именно необходимость использовать методики двукратного и многократного формирования рисунка в рамках 193-нм литографии стала одним из наиболее серьезных стимулов перехода к EUV-литографии. Действительно, схемы, требующие в рамках 193-нм литографии многократного формирования рисунка, в случае применения EUV-литографии могли изготавливаться путем однократного формирования рисунка. Неудивительно, что производители ИС хотели бы сохранить такую возможность как можно дольше. Однако при переходе от 7-нм к 5-нм и далее к 3-нм проектным нормам ситуация осложняется. Предел использования методики однократного EUV-формирования рисунка на сегодня – шаг элементов 32/30 нм. Если же речь идет о шаге порядка 25 нм, то без двукратного (а затем и многократного) EUV-формирования рисунка не обойтись. При этом очень полезными могут оказаться шаблоны с затухающим фазовым сдвигом, позволяющие повысить контрастность и подавить эффекты 3D-маскирования. Кроме того, потребуются более высокие дозы облучения и новые, перспективные резисты.

Другая сторона медали – увеличение аспектного отношения установок EUV-литографии с 0,33 до 0,55. В этом случае однократное формирование рисунка становится возможным даже в рамках 3-нм процессов. Однако для таких систем требуется соответствующая инфраструктура – резисты, подслои и подложки, шаблоны. Специалисты настроены скептически, полагая, что если даже к 2022 или 2023 г. появятся EUV-системы с числовой апертурой 0,55, соответствующая инфраструктура еще не будет создана.


Заключение

Сфера освоения EUV-литографии достаточно обширна. Помимо собственно литографических установок и шаблонов, существенные усилия прикладываются к разработке EUV-пелликул, контрольно-измерительных инструментальных средств и т. д. Недавно корпорация Lam Research сообщила о своих достижениях в области технологии сухого резиста, предназначенного для 3-нм процессов. В рамках корпоративных НИОКР для создания сухого резиста в системах химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ) исследуются различные сложные соединения. Предполагается, что такой резист будет наноситься на пластину ХОПФ-методом, а не центрифугированием, что позволит улучшить однородность покрытия и уменьшить расход резиста.

Таким образом, невзирая на многочисленные проблемы развития, EUV-литография получает возможность все большего распространения.


LaPedus Mark. EUV’s Uncertain Future at 3nm and Below. Semiconductor Engineering, May 21, 2020: https://semiengineering.com/whats-next-for-euv/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ