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成熟和先進節點的光掩模變化和挑戰

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成熟和先進節點的光掩模變化和挑戰

不斷發展的光刻需求對掩模寫入技術提出了挑戰 ， 并且正在向曲線轉變 。
近日 ， Semiconductor Engineering與 HJL Lithography 首席光刻師 Harry Levinson、D2S首席執行官 Aki Fujimura、美光公司掩模技術高級總監 Ezequiel Russell 以及 Photronics 執行副總裁兼首席技術官 Christopher Progler 就掩模制造的現狀和未來發展方向進行了探討 。 以下是對話節選 。
非 EUV 節點（例如 193i 浸沒式技術）仍在不斷發展 。 哪些關鍵創新能夠保持這項技術的可行性并延長其使用壽命？Progler：最大的創新在于曲線掩模版的使用——更復雜的掩模版形狀 ， 充分利用了當今刻寫技術的優勢 。 借助多光束掩模刻寫技術 ， 現在可以在掩模版上制作出以前無法實現的復雜形狀 。 這無疑是一個真正的推動力 。 其次 ， 在掩模設計流程中更廣泛地使用計算工具 。 如今 ， 諸如掩模工藝校正 (MPC) 和高級仿真等工具可以更有效地預測結果 。 這減少了對昂貴實驗的需求 ， 并有助于突破技術極限 。
Levinson：曲線確實有優勢 ， 我們在兩個領域看到了它 。 首先 ， 在前沿技術——尤其是在逆向光刻技術——曲線特征正在將浸沒式光刻技術推向令人難以置信的極致 。 其次 ， 人們對將曲線特征應用于不太先進的節點非常感興趣 。 你可以使用較舊的圖案化技術來構建性能良好且成本較低的芯片 。 如果將曲線特征嵌入到設計中 ， 則可以顯著提升器件性能 。 事實上 ， 即使是從未計劃安裝浸沒式光刻機的200毫米晶圓廠 ， 也可以僅通過使用曲線掩模版來有效地推進節點 。 這為無需新的曝光設備即可實現改進打開了大門 。
Fujimura：曲線是關鍵 。 從可變形狀光束 (VSB) 寫入技術到多光束寫入技術的演進 ， 使得曲線掩模形狀變得切實可行 。 現在 ， 您可以寫入曲線圖案 ， 而無需增加寫入時間或成本 。 重要的是要記住 ， 從制造角度來看 ， 曲線形狀實際上更簡單 。 具有 90 度角的曼哈頓形狀在現實世界中不可能完全復制 。 但有了曲線形狀 ， 您可以設計出真正可制造的圖案 。 這意味著您現在可以使用 ILT 輸出所需的掩模形狀 ， 并期望這些形狀與您在掩模上獲得的形狀完全一致 。 由于 ILT 計算掩模形狀是為了在晶圓上創建最佳工藝窗口 ， 因此 ， 如果您在物理掩模上沒有獲得所需的掩模形狀 ， 則 ILT 執行的晶圓模擬是不準確的 。 由于ILT輸出可制造的曲線形狀作為目標掩模形狀 ， 現在可以預期物理掩模形狀與目標掩模形狀相匹配 ， 并且制造出的掩模在工藝過程中的差異更小 。 這在曼哈頓幾何結構中是無法實現的 。
Russell：整個掩模流程——數據準備、OPC、源掩模優化和仿真——都在不斷改進 。 現代算法可以讓你探索不同的場景 ， 并非常積極地推動照明設置 。 你可以針對非常具體的圖案微調照明 ， 從而提高印刷適性和裕度 。 我們的建模也得到了改進 。 我們現在甚至使用機器學習來捕捉那些我們無法用純物理模型建模的工藝部分 ， 例如某些蝕刻效應 。 在某些情況下 ， 你還可以應用混合OPC策略 ， 僅在最重要的局部區域使用曲線形狀 ， 而在其他地方使用更簡單的圖案 。 這讓你無需承擔全部計算負荷即可獲得優勢 。 總而言之 ， 這些計算和制造方面的進步確實延長了浸沒式光刻技術的壽命 。
Progler：包括機器學習在內的前端計算工具如今非常強大 。 我們現在可以比幾年前更準確地預測光刻結果 。 這對 193i 來說是一個巨大的推動力 。 這些工具讓我們能夠制作出更好的掩模版 ， 并改進晶圓圖案 ， 而無需觸及硬件 。
曲線掩模代表著未來 ， 但掩模廠還面臨哪些應用障礙？高數值孔徑會不會進一步增加對曲線掩模的需求？Levinson：仍有大量基礎設施需要開發 。 當所有東西都用矩形來描述時 ， 復雜性相對較低 。 矩形有長寬 ， 定義和調整都很容易 。 如果要將矩形的臨界尺寸改變5% ， 只需調整寬度即可 。 但對于曲線形狀 ， 并沒有直觀意義上的“臨界尺寸” 。 你處理的是樣條曲線或貝塞爾曲線 ， 改變形狀意味著調整多個參數 。 這種復雜性滲透到所有方面——掩模版圖、工藝校正、規則檢查——所有這些都建立在曼哈頓幾何的假設之上 。 所有這些都需要重新思考 。 不過 ， 我還沒看到任何突破性的進展 。 此外 ， 我們還沒有一個清晰的路線圖 ， 用于在邏輯上實現具有曲線特征的多重圖案化 。 高NA可以通過實現單一圖案曲線布局來幫助實現這一點 ， 否則這將非常困難 。
Fujimura：這些挑戰都是可以解決的 ， 但目前曲線工藝仍被視為例外 ， 而非常態 。 這改變了經濟和基礎設施 。 例如 ， 基于 GPU 的計算才是曲線工藝真正需要的 。 但大多數掩模廠仍然依賴基于 CPU 的工作流程 。 在 GPU 資源能夠定期使用之前 ， 曲線工藝仍將是一種特殊情況 。 計量是另一個問題 。 使用曼哈頓功能 ， 通常需要測量一維寬度和間距 。 使用曲線工藝 ， 必須分析整個形狀并比較邊緣 ， 因此計量工具和算法需要改進 。 這一切都將會發生 ， 但這是一個過渡 。 正如 Harry 所說 ， 從頭開始重建一個行業的基礎設施需要時間 。
Russell：我想強調的是 ， 曲線的采用并非非此即彼 。 在美光科技 ， 我們多年來一直在光罩上使用曲線 ， 甚至在多光束刻寫機出現之前就已如此 。 這并非二元開關 。 您可以選擇性地在最有利的位置應用曲線特征 。 例如 ， 您可以僅將它們用作輔助特征 ， 而將主要特征保持矩形 ， 這樣其余的流程（檢測、計量和維修）就可以更簡化 。 您還可以將曲線形狀定位到遇到 OPC 收斂問題或違反光罩規則約束的區域 。 在這些情況下 ， 小的分段線性校正無需全場曲線光罩即可獲得“類似曲線”的結果 。 但端到端基礎設施仍然存在差距 。 我們現在有描述曲線形狀的標準文件格式 ， 但并非所有 EDA 工具都原生支持它 。 許多工具會將文件轉換為內部格式 ， 進行處理 ， 然后再次輸出——這在每個步驟中都可能引入錯誤 。
Progler：計量技術可能是目前最大的障礙之一 。 你不再只是測量寬度和間距 ， 而是測量完整的二維輪廓 。 這需要更高的分辨率、更多的數據點和更快的測量工具 。 構建用于優化算法的精確仿真模型 ， 全都依賴于良好的計量技術 。 但如今 ， 我們很難生成所需的形狀數據量和密度——僅僅建立一個像樣的模型就需要數十萬個點 。 事實上 ， 我們在掩模版上繪制曲線圖案的能力遠遠超過了我們測量和驗證這些圖案的能力 。 這與幾年前的情況截然相反 ， 這給計量技術帶來了壓力 。 此外 ， 曲線工作流程需要更快 。 如果我們希望這項技術能夠被廣泛的客戶群體所使用——而不僅僅是在高產量、前沿領域——我們就需要縮短周轉時間并提高良率 。 這意味著更快的計算速度、更快的測量速度 ， 以及整個從設計到掩模版的流程中更緊密的集成 。
EUV防護膜的性能目前如何？如何才能提高其耐用性和實用性？Fujimura：對于 193i 掩模版來說 ， 防護膜完全可以接受 。 它們耐用、堅固 ， 而且是標準流程的一部分 。 但對于 EUV 來說 ， 情況就不同了 。 掩模版具有反射性 ， 因此能量在穿過防護膜時會損失兩次——一次進入 ， 一次出來 。 這對于每小時的晶圓產量來說是一個巨大的損失 。 另一個問題是耐用性 。 EUV 防護膜的使用壽命遠不及 193i 掩模版 。 你必須定期更換它們——有時每周都要更換 。 每次更換都會增加成本和復雜性 ， 因為需要再次檢查掩模版以確保沒有損壞 。 所以這是一個非常昂貴且耗時的流程 。 但即使存在這些問題 ， 由于 EUV 帶來的好處 ， 業界仍然認為這是值得的 。
Russell：對于內存應用來說 ， 設計中通常會包含一些冗余 ， 因此使用防護膜的成本大于收益 。 如果出現缺陷且可以修復 ， 那么最好跳過防護膜 ， 避免吞吐量損失 。 這就是我們在美光公司不使用防護膜的原因 。 最終 ， 防護膜的性能可能會提升到對某些層有意義的程度 。 例如 ， 某些邏輯層（例如 GPU 或高端處理器）具有較大的芯片尺寸 ， 對致命缺陷更為敏感 。 在這些情況下 ， 單個缺陷就可能毀掉整個芯片 ， 而這會帶來非常高昂的成本 。 因此 ， 經濟效益有所不同 。 掃描儀的改進也改變了這一平衡 。 隨著掃描儀缺陷增加率的不斷提高 ， 使用防護膜的優勢變得更加不明顯 。 如果光罩保持清潔 ， 那么添加會損害吞吐量的防護膜又有什么意義呢？
防護膜會影響面罩本身的壽命嗎？Russell：如果沒有防護膜 ， 就必須更頻繁地清潔掩模版 。 而且每次清潔都會稍微降低掩模版上的吸收層 。 多年來 ， 我們投入了大量的工程精力來優化清潔化學和工藝 ， 使其既有效又不損害掩模版 。 但隨著時間的推移 ， 這些清潔確實會縮短掩模版的使用壽命 。 這需要在最大限度地減少停機時間和延長掩模版壽命之間做出權衡 。
Progler：我們目前知道 ， EUV 屏蔽率與光學屏蔽率不相上下 ， 因此在這方面仍有工作要做 。 先進的涂層可以與 EUV 防護膜材料集成 ， 以延長其使用壽命 ， 而提高透射率通常可以減少熱損傷 。 EUV 防護膜的操作和維護無疑可以改進 。 但還有另一種看待這個問題的方式 。 由于 EUV 波長的特性 ， EUV 防護膜的材料和壽命始終是人們關注的問題 。 因此 ， 我們最好能夠以經濟高效且快速的方式更換它們 ， 并在掩模成本模型中考慮為高運行設備提供多個掩模循環的需求 ， 以便更換防護膜的過程不會中斷生產 。
Levinson：這真的是一個平衡的過程 。 一方面 ， 防護膜供應商正在努力提高透射率和耐用性 。 另一方面 ， ASML 正在降低光刻機的污染風險 ， 這有助于減少對防護膜的需求 。 是否使用防護膜完全取決于你的用例 。 幾年前 ， ASML 的 Mike Lercel 寫了一篇很棒的論文 ， 概述了這一點 。 如果你生產的是大型、高價值的邏輯芯片——比如 800mm2 的 GPU——你可能想要使用防護膜 。 但對于較小的存儲設備 ， 尤其是那些內置冗余的設備 ， 不使用防護膜也是合理的 。 如果防護膜能夠達到非常高的透射率 ， 并解決深紫外反射率問題 ， 我們可能會看到它被更廣泛的應用 。
Russell：目前 ， 多晶硅薄膜會將深紫外光反射回掃描儀 ， 因此需要一種名為DGL膜的濾光片來阻擋 。 這會導致在正常損耗的基礎上再增加20%的吞吐量損失 。 這是一個相當嚴重的問題 。 但研究人員正在研究替代方案 ， 例如碳納米管薄膜 。 這些薄膜不存在深紫外反射率問題 ， 并且具有更高的基線透射率 。 它們可以完全取代DGL膜 。 但目前 ， 它們仍然存在一些問題 。 例如 ， 它們通常只能持續進行不到10000次晶圓曝光 。 而且 ， 如果它們失效 ， 不僅僅是性能下降 ， 還會在掃描儀內部碎裂成小碎片 。 這將導致嚴重的停機 。 據我所知 ， 目前還沒有人在大批量生產中使用它們 ， 但該領域有很多活躍的研究 。
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