半導(dǎo)體行業(yè)正在重新評估其制造最先進(jìn)芯片的長期路線圖。高數(shù)字光圈(High-NA)光刻技術(shù),曾被視為2 nm以下節(jié)點(diǎn)小型化的明確路徑,現(xiàn)在正在與其他選項(xiàng)進(jìn)行權(quán)衡。

盡管在光學(xué)領(lǐng)域取得了里程碑式的成就,但高NA所需的重大挑戰(zhàn)和巨大的資本投資刺激了互補(bǔ)模式技術(shù)的平行發(fā)展。事實(shí)上,這些技術(shù)作為競爭和實(shí)用的替代品正在獲得牽引力。

這不是對光學(xué)進(jìn)步的拒絕。這是一個(gè)多方面工具包的務(wù)實(shí)擁抱,其中材料科學(xué),物理學(xué)和創(chuàng)新過程的進(jìn)步融合在一起,以克服強(qiáng)大的障礙。

High-NA擁有4億美元的未來節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)價(jià)格標(biāo)簽,代表了世界上最先進(jìn)和最昂貴的芯片制造機(jī)器。它由ASML構(gòu)建,承諾壓縮波長,更寬的鏡頭和8納米分辨率。較高的NA聚集更多的光線以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化,但它并沒有擴(kuò)大鏡頭,而是減少了成像場。

220 wafers per hour最新的高NA掃描儀每小時(shí)可處理220個(gè)晶圓。英特爾公司是第一家運(yùn)行High-NA擴(kuò)展邏輯和內(nèi)存設(shè)備的公司,但許多其他公司可能會(huì)來。

除了追求尖端的光學(xué)工具,一個(gè)務(wù)實(shí)的焦點(diǎn)正在出現(xiàn)。工程師們現(xiàn)在正在倡導(dǎo)優(yōu)先考慮成本效益和可制造性的替代方案。這包括消除過高的潔凈室改造,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,推進(jìn)花粉設(shè)計(jì)以更好地透光,并減少對復(fù)雜晶圓縫合的依賴。替代方法越來越被認(rèn)為是現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)異構(gòu)集成環(huán)境中針對目標(biāo)應(yīng)用的重要實(shí)用解決方案。

深紫外不太可能的復(fù)興

也許最令人驚訝的發(fā)展是深紫(DUV)浸入式光刻術(shù)的重新相關(guān)性。曾經(jīng)被認(rèn)為是一種接近過時(shí)的技術(shù),DUV已被證明是不可或缺的。這種長壽證明了其過程成熟度以及支持它的龐大現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。

通過改進(jìn)多模式技術(shù),使用順序的石刻循環(huán),工程師現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)低于光學(xué)分辨率極限的俯仰。該工藝從193 nm光學(xué)器件中提取前所未有的容量和性能,通過重復(fù)和精確的曝光實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的性能。

基于空間的流,如自對齊雙圖案(SADP)和自對齊四重圖案(SAQP),將結(jié)構(gòu)細(xì)分為越來越緊密的幾何形狀。根據(jù)半導(dǎo)體工程公司的一份報(bào)告,這些方法將DUV推到了其標(biāo)稱的40 nm半間距極限之外,通過精確的覆蓋控制和嚴(yán)格的檢查提供20 nm及以下。

在更廣泛的蝕刻工藝系列中,間隔技術(shù)補(bǔ)充了像litho-etch-litho-etch(LELE)這樣的間距分裂方法,但設(shè)計(jì)側(cè)并發(fā)癥較少,并且在擴(kuò)展NAND閃存和finFET結(jié)構(gòu)方面取得了成功。通過使用沉積和蝕刻循環(huán)來形成側(cè)壁間隔器,SADP和SAQP允許芯片制造商在不依賴更昂貴的曝光步驟的情況下復(fù)制幾何形狀。

在半導(dǎo)體制造國際公司(SMIC),對7納米器件的獨(dú)立審計(jì)證實(shí),僅使用DUV策略,使用積極的多模式而不是高NA可以提供功能齊全的芯片。TechInsights對華為麒麟9000S處理器的拆解清楚地表明,reserved exclusively for High-NADUV仍然能夠生產(chǎn)被認(rèn)為專門用于High-NA的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。

納米印跡:機(jī)械范式轉(zhuǎn)變

納米印跡光刻(NIL)采用與傳統(tǒng)光刻術(shù)截然不同的方法。與使用光投射圖像相比,NIL使用主模板將圖案物理地標(biāo)記為低粘度電阻,并通過UV光和熱固化來硬化。這種直接的機(jī)械傳輸完全避開了光的衍射極限,以及光子拍攝噪聲等光學(xué)方法所固有的相關(guān)問題,以及越來越復(fù)雜的光學(xué)接近校正需求。

最近的進(jìn)步推動(dòng)了NIL從實(shí)驗(yàn)室的好奇心轉(zhuǎn)向生產(chǎn)就緒的制造技術(shù)。佳能(Canon),尤其是中國公司Prinano等公司,已經(jīng)開發(fā)出了值得生產(chǎn)的工具。Prinano 的 PL-SR 系統(tǒng)適用于 300 mm 晶圓,其性能可打印 10 nm 以下,覆蓋精度小于 2 nm。固有的優(yōu)勢,包括大大降低刀具成本,最低能耗和缺乏繁瑣的激光和光學(xué)系統(tǒng),使其對高容量,重復(fù)的光刻技術(shù)具有吸引力。

在特定領(lǐng)域,NIL的價(jià)值主張最引人注目。

• Memory:內(nèi)存:NAND閃存和DRAM的常規(guī)密集陣列是單步印記過程的理想選擇。

• Photonics and silicon interposers:光子學(xué)和硅中間體:為波導(dǎo)和通過硅通孔(TSV)制造圖案。

• Compound semiconductors and novel substrates:復(fù)合半導(dǎo)體和新型基板:與光學(xué)光刻不同,NIL與基材的材料或地形無關(guān),可在曲面、柔性或非硅表面上進(jìn)行制造。

雖然模板缺陷,主耐久性和復(fù)雜邏輯層的疊加方面仍然存在挑戰(zhàn),但NIL已經(jīng)成功地開辟了一個(gè)重要的利基市場。NIL不太可能在5納米以下節(jié)點(diǎn)上取代高NA邏輯,它在相鄰應(yīng)用程序中的上升創(chuàng)建了一個(gè)并行縮放路線圖。

圖案塑造技術(shù)

承認(rèn)高NA光刻是不完美的,有一類新的過程在曝光后糾正和完善元素。其中,應(yīng)用材料的Centura Sculpta引入了幾何形狀,這是一種數(shù)字雕刻技術(shù),可以減輕高NA光刻術(shù)固有的隨機(jī)效應(yīng),同時(shí)減少對昂貴的多圖案的依賴。Sculpta使用定向帶狀梁來拉長印刷功能,使尖端到尖端的間距比單個(gè)通過可以實(shí)現(xiàn)的更近。此外,它消除了橋梁缺陷,否則會(huì)降低產(chǎn)量。

Tokyo Electron’s Acrevia東京電子的Acrevia系統(tǒng)應(yīng)用氣體團(tuán)束(GCB)技術(shù)來重塑和完善光刻后的模式。在初始曝光和干蝕刻之后,Acrevia以受控晶圓角度引導(dǎo)高能氣體原子簇,以調(diào)整側(cè)壁尺寸,平滑粗糙邊緣并減少隨機(jī)效應(yīng)。通過降低線緣粗糙度和校正晶圓內(nèi)變化,該工具減少了對雙曝光層的需求。

光刻后優(yōu)化功能作為糾正階段,在曝光后改進(jìn)配置文件,而不是重復(fù)它們。此類系統(tǒng)可無縫集成到當(dāng)前的高NA流中,同時(shí)充當(dāng)屈服和覆蓋緩沖器。both yield savers and overlay buffers此外,它們提供了至關(guān)重要的平衡,減少了行業(yè)對光譜擴(kuò)展的戰(zhàn)略依賴。

混合劇本

高NA本質(zhì)上是選擇性的,由物理限制和經(jīng)濟(jì)權(quán)衡決定。其部署是戰(zhàn)略工程選擇,專注于非凡解決方案。其結(jié)果是一個(gè)范例,其中混合模式優(yōu)化了整個(gè)平版印刷堆棧的成本,吞吐量和能力。

在混合模型中,每個(gè)工具都有自己的作用。High-NA 用于最關(guān)鍵的前端層,如鰭、門和觸點(diǎn)。替代方案成為主力,定義關(guān)鍵互連和邏輯級別。DUV浸入用于密集的常規(guī)結(jié)構(gòu),如SRAM位細(xì)胞和選定的金屬層。NIL在光子學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)中找到了自己的利基市場,其中成本和獨(dú)特的材料多功能性具有變革性。至關(guān)重要的是,整個(gè)多工具流由后圖案特征整流技術(shù)支撐。

這些系統(tǒng)共同作為通用的糾正措施,以提高關(guān)鍵維度的均勻性,并放寬性能要求和成本負(fù)擔(dān)。混合方法展示了工程哲學(xué)的基本演變,擁抱系統(tǒng)級視角。

結(jié)論

幾十年來,摩爾定律以可預(yù)測的公式指導(dǎo)行業(yè):更小的晶體管,更快的芯片和更便宜的性能。High-NA作為其預(yù)期的延續(xù),光學(xué)奇跡旨在將縮放擴(kuò)展到2納米以下的時(shí)代。今天,這種愿景仍然存在,但背景發(fā)生了變化。

成熟的技術(shù)可以重塑自己。摩爾定律彎曲。工程師仍然追求密度,但通過光學(xué),機(jī)械和化學(xué)過程的馬賽克。高NA可能會(huì)保持其在頂部的位置,但其主導(dǎo)地位受到芯片制造中同等重量的替代品的緩和。

這一戰(zhàn)略擴(kuò)張開啟了半導(dǎo)體小型化的新時(shí)代。即將到來的創(chuàng)新將不依賴于單一的突破,而更多地取決于多種方法的戰(zhàn)略協(xié)調(diào),每種方法都適合特定需求。接下來是一個(gè)更全面的框架,其中經(jīng)濟(jì)可行性,可制造性和基礎(chǔ)物理學(xué)在指導(dǎo)半導(dǎo)體工程進(jìn)步方面具有同等的權(quán)威。