29 июня 2018

Ультрафиолетовая литография – расширение маршрутной производственной карты до структур с размером 3 нм

Бед Воглер

В этом году на выставке SEMICON West (середина июля 2018) темой форума «Advanced Lithography TechXPOT» станет изучение прогресса в области крайней ультрафиолетовой литографии (КУФЛ) и ее экономической жизнеспособности для крупносерийного производства, а также другие решения для литографических процессов, которые могут ориентироваться на отметку в 5 нм с переходом к 3 нм. Несколько докладчиков сессии расскажут о готовности КУФЛ к 5 нм и о том, как другие решения в области литографии позволят работать на 3 нм. Список выступающих и повестка дня см. на сайте http://www.semiconwest.org/programs-catalog/lithography-5nm-and-below

Расхождение точек зрения относительно готовности КУФЛ к работе с 5 нм

Майк Лерсель, директор по стратегическому маркетингу ASML

ASML ожидает, что его первый клиент начнет серийное производство с использованием КУФ по 7 нм технологии для логических элементов и элементов DRAM среднего уровня по10 нм технологии в 2018/2019. «КУФ позволит заменить самые сложные слои, которые требуют сложного и многочисленного мультиплицирования изображений структур, при этом многие слои будут по-прежнему распределяться между существующими решениями в обозримом будущем», — сказал Лерсель. «Для 5 нм логического элемента ожидается, что большее количество слоев начнет мигрировать в КУФ.»

У трех клиентов ASML уже есть ранние версии TWINSCAN NXT: 2000i следующего поколения для разработки продвинутых логических элементов и DRAM-элементов. Эта система обеспечивает перекрестное совмещение для 2 нм структур, достигнутое благодаря нескольким улучшениям аппаратных средств«, — отметил Лерсель. «Это крайне важно, потому что совмещение и масштабирование при использовании КУФ имеет сильно отличающуюся аппаратную платформу». TWINSCAN NXT: 2000i оснащен новым датчиком совмещения и лучшей плоскостностью столика для пластины и его прочностью, а так же усовершенствованным зажимным механизмом пластины, чтобы соответствовать требованиям КУФ.

ASML добился хорошего прогресса в области индустриализации своей фоторезистивной маски, с испытаниями, подтверждающими, что маски могут выдерживать мощность источника 245 Вт и автономный тест продолжительности жизни, показывая мощность 400 Вт. По сравнению с 7 нм логическим элементом требования к маскам КУФ станут более жесткими на 5 нм. Лерсель отметил, что ASML видит хорошие перспективы в отрасли для поддержки 5 нм в таких областях, как уменьшение дефектов маски. «Мы продолжим улучшать характеристики масок для повышения производительности, но фундаментальных изменений в требованиях к элементам памяти для 5-3-нм логических узлов нет. Мы не видим причин для остановки процесса внедрения КУФЛ на 5 нм элементах».

Стивен Ренвик, директор по физике изображений в Американской исследовательской корпорации Nikon

По словам Ренвика, ожидается, что 7 нм логический элемент будет построен в основном с использованием 193i серии в литографическом процессе. «КУФ будет бороться за то, чтобы быть готовым к работе на 5 нм, которая имеет ограничения с входом годных, вызванными стохастическими эффектами фоторезиста», — сказал Ренвик. «Готовы мы или нет, тем не менее, он будет использоваться». Ренвик предполагает, что в КУФ может потребоваться введение мультиплицирования структур, но это увеличит затраты. «193i серия будет по-прежнему использовать четырехкратное мультиплицирование изображения в сочетании с другими методами — единого решения нет».

При выборе между иммерсионной литографией и КУФ для разных клиентов в 5 нм Ренвик отметил, что стоимость зависит от слоя, для которого будет использована эта технология. «Некоторое время назад мы подсчитали, что затраты на тройное мультиплицирование в 193i или SADP 193i с двумя разрезами были примерно равны для КУФ с однородной структурой», — пояснил Ренвик (рис. 1). «Это согласовывалось с производителями чипов и означало, что выбор метода литографии зависел больше от компромиссов производительности, таких как лучшая шероховатость грани в 193i. В 5 нм элементе мы, вероятно, сталкиваемся с четырехкратным мультиплицированием изображения для 193i, с двойным мультиплицированием для существующих методов КУФ или с однородной структурой с высокой численной апертурой (HNA) КУФ, которая еще не доступна». Ренвик полагает, что конкуренция между двойным мультиплицированием с низким коэффициентом NA и четверным в193i будет похожа на текущую ситуацию (т.е. сравнение тройного мультиплицирования193i или 193i SADP с двумя разрезами по сравнению с однородной структурой в КУФ), и что об инструментах с HNA говорить слишком рано.

Другие проблемы, которые Ренвик видит на горизонте для КУФЛ в 5 нм, являются стохастические эффекты в резисте для КУФ. «Они вызывают проблемы с производительностью на контактных решетках и неприемлемую шероховатость на границе линий», — сказал Ренвик. «Маловероятно, что эти эффекты исчезнут без увеличения дозы излучения, что еще больше ухудшит производительность». Он также задает вопрос, будут ли резистивные пленки в КУФ готовы к «прайм-тайм», хотя они уже разрабатываются.

Гарри Левинсон, старший директор по стратегическим литографическим технологиям и старший научный сотрудник GLOBALFOUNDRIES

Левинсон сказал, что необходимы дополнительные фундаментальные инженерные работы для подготовки КУФЛ к 5 нм. «Среди главных проблем — вносимые стохастические дефекты резиста, которые значительно увеличиваются, поскольку размеры уменьшаются», — пояснил Левинсон (рис. 2). «Для устранения этих проблем, связанных со стохастическим процессом, на 5 нм потребуется более высокая доза излучения, что потребует более высокой выходной мощности».

Левинсон сказал, что будет больше мотивации использовать КУФЛ в 5 нм элементе против 7 нм, чтобы компенсировать большое количество облучений, связанных с решениями в 193 нм иммерсионном мультиплицировании. «Первоочередное применение КУФЛ на 7 нм будет для контактов и отверстий», — отметил Левинсон. «Будет важно включить КУФЛ для металлических масок на 5 нм элементе, что позволит увеличить потребность в достаточном количестве низкодефектных масок для КУФ». Левинсон добавил, что 7 нм элемент уже предполагает наличие возможности проверки дефектов, и никакая система контроля дефектов, на данный момент, не доступна для структурированных масок. «Эта ситуация становится более проблематичной при широком применении КУФЛ к металлическим слоям».

Производство фотошаблонов для 5 нм технологии

Кристофер Проглер, технический директор и директор по долгосрочному планированию в компании Photronics

Базовая инфраструктура для доставки масок для КУФ доступна, в частности, для темнопольных слоев и прилежащих к ним узлов. «Взаимозависимые или более открытые структуры в шаблонах будут нуждаться в уточнении процессов, а от двух до трех элементов потребуют определенной новой инфраструктуры», — сказал Проглер. «В целом, основные проблемы для первоначального внедрения — это создание рентабельного и быстро развивающегося процесса производства фотошаблонов для КУФ», — добавил он. «Промышленность может, конечно, производить фотошаблоны для КУФ в той или иной форме. Речь идет скорее о том, чтобы делать это эффективно и продуктивно, чтобы соответствовать заявленному стоимостному предложению КУФ по сравнению с другими литографическими методами. Мы не хотим оставлять два варианта из трех: „стоимость, время цикла или функциональная возможность“ для реализации решений для фотошаблонов».

Для большей конкретики Проглер объяснил, что после первоначальной разработки фотошаблонов для КУФ на 5 нм, ориентированной на контакты и блокирующие слои, основное направление развития для 5 нм переключается на как можно более раннее получение проводящих структур на КУФ с однократным экспонированием. «Это открыло несколько новых требований для фотошаблонов, учитывая разрешение, критическую плотность рисунка и жесткие требования к дефекту шага для повторно агрегированных однослойных металлических шаблонов», — сказал Проглер. «Например, со стороны разрешения мы ускоряем внесение большей дозы облучения фоторезиста, а также улучшаем модули управления движением для контроля критических размеров фотошаблона и угла боковой стенки.» Проглер добавил, что в 5 нм сама 3D-структура фотошаблона, включая боковую поверхность, будет оказывать большее влияние на литографический процесс, поскольку она привязана к стохастическим ошибкам на пластине.

«В настоящее время трудно найти надежную, широкомасштабную метрологическую систему для некоторых параметров 2D и 3D-шаблонов. Мы можем видеть эволюцию „пустой структуры“ в какой-то точке на 5 нм, включая опции жесткой маски для стабильности структур, и ожидать более раннюю коррекцию процесса КУФЛ с помощью определения „горячей точки“ на основе модели и проверки правил. Мы также надеемся, что отладка сканера фотошаблона не нужна, но есть некоторые признаки, которые могут подтолкнуть нас в ближайшее время к движению в этом направлении.» Он добавил, что для уменьшения дефектов металлического слоя необходимо уделять больше внимания расширенной модернизации и проверке на основе моделей. «К сожалению, мы все еще находимся в ситуации „расплывчатого зрения“ и высоких внутренних дефектов наряду с возможным загрязнением, в добавок ко всему, во время смены фотошаблонов.»

Проглер отметил, что с наступлением 5 нм технологии, для металлических шаблонов потребуется другой уровень инспекции для светочувствительных областей, чтобы увеличить выход годных, и это увеличит стоимость и так дорогостоящей технологии производства фотошаблонов. «Итак, если мы не хотим бороться с двойными и тройными фотошаблонами и начинаем поставлять единый шаблон для проводящего слоя, очень важно усилить инспекцию при помощи более чувствительных элементов, сократить время на устранение неисправностей и цикл восстановления», — сказал Проглер. Он видит «сгущение туч» вокруг фоторезистивных пленок для металлических слоев в серийном производстве. «Это остается открытым вопросом, главным образом по тепловым и материальным причинам, не говоря уже о стоимости и времени цикла», — сказал Проглер. «Мы можем быть пессимистичными, но мы не видим решения для фоторезистивных пленок в серийном производстве, которое могло бы уложиться в требуемые временные рамки. А это означает увеличение количества проверок на уровне пластины в инспекционном цикле». Проглер считает, что оптимизация проверок будет отличительной чертой. «Я могу предположить, что большая часть времени цикла в КУФ теряется из-за бесконечных проблем с шаблонами, если проверка выполнена плохо».

Каким образом производство придет к 3 нм?

Asml планирует запустить свои первые прототипы с НNA в КУФ для пробных систем между 2020 и 2023 годами для поддержки развития 3-2 нм процесса. «Разработка конструкции системы в настоящее время завершена, и платформа начинает «оживать», — сказал Лерсель. Поставщик Asml — Zeiss строит чистое помещение для производства оптики с НNA. Asml считает, что системы с HNA для КУФ и глубокого УФ будут использоваться вместе для наиболее передовых элементов, а проектирование будет учитывать это смешение. «Чипмейкеры двигаются в направлении уменьшения геометрических размеров в большинстве передовых элементов, как в 3 нм, и они вынуждены сталкиваться с беспрецедентным вызовом в отношении устройств и материалов. Это сделает требования к процессу контроля еще более сложными.» Asml принимает этот вызов благодаря своей метрологической платформе Yieldstar, электронно-лучевой метрологии и вычислительным решениям для фотолитографии, которые предназначены для расширения процессного окна, усовершенствования управления технологическими процессами и улучшение обнаружения дефектов структур. «Приближение такого „целостного подхода“ в литографии станет более важным, чтобы обеспечить производительность и выход годных для наиболее передовых элементов.»

Левинсон сказал, что вопросы, на которые он проецирует в 5 нм, должны быть рассмотрены далее и в 3 нм. «Проблемы, связанные с фоторезистом при размерах в 3 нм, таковы, что не совсем ясно, будет ли улучшение химических формул фоторезистов удовлетворять поставленным требованиям», — сказал Левинсон. «Если это правда, мы вскоре увидим самые значительные изменения в фоторезистивных платформах за четверть века. Технологии, которые потенциально снижают затраты, такие как направленное самосовмещение, всегда приветствуются, но КУФЛ будет „рабочей литографической лошадкой“ для 3 нм элементов и, вероятно, за их пределами.»

Что касается 3 нм, производители фотошаблонов будут противостоять реалиям инструментов для HNA КУФ. Проглер подчеркнул: «Нам нужно будет использовать более тонкие поглотители в фотошаблонах, новые пленки и, возможно, жесткие фотошаблоны. Это приведет нас к использованию новых материалов для новых режимов в новых фотошаблонах, и история показывает нам, что производство фотошаблонов занимает много времени, чтобы усовершенствовать процессы и инструменты для новых материалов.» Он пояснил, что малый «масштаб экосистемы» фотошаблона и небольшое количество крупных поставщиков, доступных для поставки готового решения этих проблем, объясняют этот длительный период времени.

И все же, заглядывая в будущее, Проглер отметил, что Photronics уже провела несколько исследований влияния предложенной полуполевой HNA-анаморфной оптики на фотошаблонах. «Мы обнаружили некоторые проблемы, которые необходимо решить, особенно на границах и в пределах общего потока фотошаблонов», — сказал Проглер. По его словам, по мере того, как разрешение фотошаблона продолжает уменьшаться, промышленность нуждается в принципиально более высоких разрешениях и контрольных процессах, требующих многолучевой прорисовки фотошаблона следующего поколения и электронно-лучевой проверки.

Для 3 нм и ниже, как отметил Проглер, потребность в метрологии для фотошаблонов есть, хотя и не такая серьезная, как для пластин с такими элементами, и необходимо проверять инфраструктуру оборудования для фотошаблонов таким образом, чтобы она могла быть соизмерима относительно небольшой производственной отрасли по их производству. «Разумеется, вступает в игру также мультиплицирование в КУФ, и при этом размеры SRAF (sub-resolution assistant features) опускаются ниже 20 нм, требуя асимметричной компенсации и привнося гораздо большее влияние, чем ранее». Проглер объясняет, что с помощью мультиплицирования изображения в КУФ будет более важно совмещать или сдваивать КУФ фотошаблоны и наблюдать, анализировать, как 3D-эффекты и стохастические явления будут себя вести в новой технологии, чтобы обеспечить новые требования к высокоскоростным метрологическим компонентам и методам их моделирования. «Все допустимые корректировки по уровню EPE (electric potential energy) с мультиплицированием изображения при помощи эксимерного лазера сегодня вводятся в КУФ, когда шаблоны объединяются вместе, чтобы создать один слой в устройстве», — сказал Проглер.