Инновации в микропроцессорном производстве с использованием литографии Ева

Последние достижения в области производства микропроцессоров изменили полупроводниковый ландшафт, с экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии, появляющейся в качестве краеугольной технологии. EUV литография позволяет производить меньшие, более мощные и энергоэффективные микропроцессоры, раздвигая границы закона Мура на неизведанную территорию. По мере перехода чипмейкеров от глубокого ультрафиолета (DUV) к EUV, индустрия становится свидетелем смены парадигмы в том, как транзисторы узорчаты, что приводит к беспрецедентным уровням интеграции и производительности. В этой статье рассматриваются ключевые инновации в литографии EUV, их влияние на развитие микропроцессоров и проблемы, которые остаются, когда отрасль движется к суб-3 нм узлам.

Литография EUV

Литография EUV использует экстремальный ультрафиолетовый свет с длиной волны около 13,5 нанометров, резкий контраст с длиной волны 193 нм, используемой в традиционной литографии DUV. Эта более короткая длина волны позволяет создавать узоры исключительно тонких особенностей на кремниевых пластинах, позволяя производить транзисторы в масштабах ниже 7 нм. Фундаментальный принцип включает отражение света от сложных зеркал (а не преломление его через линзы, как в системах DUV) для проецирования схемных узоров на пластину, покрытую фоторезистом. Весь процесс должен происходить в вакууме, потому что свет EUV поглощается воздухом.

Оптическая система: рефлексивная оптика

В отличие от обычных литографических систем, использующих преломляющие линзы, системы EUV полностью полагаются на отражающую оптику. Многослойные зеркала, состоящие из чередующихся слоев молибдена и кремния, спроектированы так, чтобы отражать свет EUV при почти нормальной частоте. Каждое зеркало покрыто более чем 40 бислоями для достижения отражательной способности около 70% - замечательный подвиг, учитывая, что свет EUV в противном случае сильно поглощается большинством материалов. Оптический путь включает по меньшей мере шесть зеркал в проекционной системе, плюс дополнительные зеркала в иллюминаторе, все полированные до атомной точности, чтобы минимизировать ошибки фронта волны.

Высокоэнергетические источники света EUV

Генерация достаточного количества света EUV для производства больших объемов была одной из самых больших инженерных проблем. В отраслевом стандарте используется источник плазмы лазерного производства (LPP): мощный источник CO ₂ лазера стреляет импульсами в крошечных капельках олова, создавая плазму, которая излучает излучение EUV. Современные источники достигают выходной мощности, превышающей 250 Вт в промежуточном фокусе, критическая веха, которая обеспечивает экономически жизнеспособную пропускную способность. Непрерывное улучшение эффективности лазера, стабильности генератора капель и смягчения мусора подтолкнули мощность источника к 500 Вт для систем следующего поколения. Ведущий поставщик ASML продемонстрировал источники, способные поддерживать 200 пластин в час на 5-нм узле.

Маски и пеллеты

Маски EUV являются отражающими, а не пропускающими. Они состоят из подложки (обычно материала с низким тепловым расширением), покрытой тем же многослойным стеком молибдена / кремния, увенчанного поглотителем слоя сплава на основе тантала, который определяет схему. Контроль дефекта имеет первостепенное значение: один дефект суб-50 нм может разрушить весь чип. Для защиты масок от загрязнения частиц во время транспортировки и использования были разработаны ПАВ-пузырьки - ультратин, трансмиссивные мембраны, которые почти невидимы для света EUV, но блокируют частицы. Ранние ПАП страдают от значительных потерь передачи и тепловых повреждений; современные ПАП на основе кремния или углеродных нанотрубок достигают более 90% передачи и могут выдерживать повторную тепловую цикличность.

Фоторезистные материалы

Слой фоторезиста должен точно реагировать на фотоны EUV с высокой энергией. Традиционные химически усиленные сопротивления (CARs) были адаптированы, но новые материалы появляются для удовлетворения потребностей узлов суб-7 нм. Сопротивления оксида металла, такие как основанные на олове или гафнии, обеспечивают исключительную чувствительность и разрешение при одновременном снижении шероховатости кромки. Эти сопротивления поглощают фотоны EUV более эффективно, чем органические сопротивления, что позволяет более тонкие покрытия и более точное определение характеристик. Постоянный поиск материалов сопротивления, которые одновременно отвечают чувствительности, разрешению и шероховатости ( «RLS компромисс») стимулирует обширные исследования в таких учреждениях, как IMEC и SEMATECH.

Ключевые инновации, способствующие производству объемов EUV

Для того чтобы литография EUV перешла от лабораторного любопытства к производству в больших объемах, потребовалась серия прорывных инноваций во всей экосистеме.

Развитие перспективных источников света

Переход от 50-ваттных прототипных источников к источникам производственного уровня, превышающим 250 ватт, был экскурсионной силой лазерной и плазменной физики. Инновации включают: (1) двухступенчатое лазерное усиление для увеличения энергии импульса, (2) передовую генерацию оловянных капель с использованием пьезо-диспенсеров, которые доставляют капли со скоростью 50 кГц, и (3) коллекторную оптику, которая эффективно захватывает и фокусирует излучение плазмы. Эти улучшения снизили стоимость за воздействие при сохранении критической стабильности, необходимой для нанометрового моделирования.

Уменьшение дефектов в масках

Дефектность маски была постоянным препятствием. Новые методы проверки с использованием актинового (длина волны EUV) света позволяют обнаруживать ранее невидимые дефекты. Проверка электронного пучка Multibeam еще больше ускоряет проверку дефектов. Между тем, поставщики масок для заготовки разработали процессы полировки и осаждения, которые уменьшают нативную плотность дефектов до менее 0,1 на см. ² . Расширенные методы ремонта, такие как осаждение, вызванное электронным лучом, и фокусированное измельчение ионного пучка, могут исправлять отдельные дефекты поглотителя, не повреждая основной многослойный слой.

Улучшенный оптический дизайн

Оптика проекции 0,33 числовой апертуры (NA) в современных сканерах EUV (например, платформа NXE ASML) обеспечивает разрешение до 13 нм. Чтобы достичь 3 нм и более, отрасль переходит к оптике с высокой NA (0,55), которая потребует еще больших зеркал (более 1 метра в диаметре) и более строгих допусков выравнивания. В конструкции этих зеркал используются поверхности свободной формы, а не традиционные асферы, что позволяет лучше коррекцию аберраций. Инструменты метрологии с использованием интерферометрии и экстремально ультрафиолетовой рассеянности гарантируют, что зеркальные поверхности отполированы до атомной плоскости.

Новые методы моделирования

Для расширения EUV за пределы предела разрешения однократного воздействия разработаны инновационные стратегии паттернов. Многократное паттерновое моделирование (например, самовыравнивающееся двойное паттерновое моделирование, SADP) по-прежнему играет роль, но EUV упрощает эти потоки за счет сокращения количества экспозиций. Направленная самосборка (DSA) блок-сополимеров предлагает дополнительный подход для периодических структур, в то время как гибридная литография сочетает в себе шаги DUV и EUV для оптимизации стоимости и производительности. Эти методы активно изучаются для 2 нм и 1 нм узлов.

Влияние EUV на производительность и плотность микропроцессоров

Принятие литографии EUV напрямую привело к ощутимым улучшениям в микропроцессорных показателях.

Транзисторное масштабирование и Gate Pitch

Способность EUV печатать четкие, низко шероховатые функции позволяет более плотные затворные смолы и меньший контактный поли-смол (CPP). На 7-нм узле критические слои, такие как плавник и контакт, все еще печатались с DUV с использованием нескольких экспозиций. С EUV при 5 нм и 3 нм одно воздействие может заменить два или три DUV-экспозиции, уменьшая сложность процесса и ошибки наложения. Это масштабирование позволило увеличить плотность транзисторов с примерно 100 миллионов транзисторов на мм ² на 7 нм до более 300 миллионов на мм ² на 3 нм, согласно отраслевым дорожным картам.

Улучшение мощности и производительности

Меньшие транзисторы не только уменьшают размер матрицы, но и уменьшают емкость и утечку, что позволяет снизить рабочие напряжения и более высокие скорости переключения. Более короткие длины затвора, обеспечиваемые EUV, уменьшают паразитное сопротивление, в то время как улучшенная шероховатость граничных рамок минимизирует изменчивость. В результате микропроцессоры, построенные с EUV, могут достичь повышения производительности на 15-20% или аналогичного снижения энергопотребления на том же уровне производительности. Для мобильных чипов это приводит к увеличению срока службы батареи; для серверных чипов это означает более высокую плотность вычислений на ватт.

Упрощение правил проектирования

Более высокое разрешение EUV облегчает некоторые ограничения проектирования, позволяя более агрессивную компоновку. Например, необходимость размещения на основе сетки и ограничительные правила проектирования (используемые с DUV для управления оптическими эффектами близости) смягчается. Это дает разработчикам чипов большую гибкость для оптимизации логических ячеек и массивов памяти, что приводит к лучшей эффективности области. На практике упрощение правил проектирования помогло снизить общую стоимость транзистора, даже когда стоимость пластин выросла с принятием EUV.

Проблемы литографии EUV

Несмотря на успехи, производство EUV не лишено препятствий, которые продолжают требовать инновационных решений.

Дефектность маски и жизненный цикл

Даже при улучшенном чистом качестве сетки накапливают дефекты во время работы. Сетки EUV снижают риск, но сами подвержены повреждениям от интенсивного света. Промышленность изучает альтернативные подходы, такие как операция «без гранул» с расширенными протоколами очистки и смягчением дефектов в режиме реального времени. Еще одна проблема - срок службы маски: повторное воздействие излучения EUV может вызвать ухудшение отражательной способности из-за загрязнения углеродом или радиационного повреждения многослойного слоя. Очистка и реконструкция масок в масштабе остается активной областью исследований.

Источник энергии и стоимость

В то время как мощность источника увеличилась, достижение 500 Вт или более для систем с высоким уровнем NA имеет важное значение для поддержания пропускной способности. При этих более высоких мощностях управление оловянными обломками становится более сложным: ионы олова и нейтралы могут повредить оптику коллектора и стадии пластин. Разрабатываются улучшенные меры по уменьшению мусора с использованием ловушек для фольги, электростатических полей и потоков газа. Стоимость владения сканерами EUV остается высокой (более 150 миллионов долларов США за инструмент), и только крупнейшие производители полупроводников могут позволить себе несколько инструментов. Промышленность работает над снижением стоимости на олово за счет более высокой пропускной способности и лучшей урожайности.

Сопротивляться ограничениям

Текущие сопротивления все еще борются с компромиссом между чувствительностью, разрешением и шероховатостью на передней линии. На узлах с суб-3 нм требуемое разрешение сопротивляется со сверхнизкой шероховатостью, которая часто снижает чувствительность и замедляет воздействие. Проводятся испытания новых химически усиленных сопротивлений с улучшенным контролем диффузии и молекулярных сопротивлений, имитирующих самосборку биологических молекул. Принятие резистентов оксида металла показывает перспективу, но они все еще квалифицируются для производства большого объема.

Будущие перспективы литографии EUV

Дорожная карта EUV выходит далеко за рамки сегодняшних 3-нм и 5-нм узлов. Следующим важным шагом является внедрение инструментов EUV с высоким уровнем NA с 0,55 NA, которые, как ожидается, поступят в производство примерно к 2025 году для 2-нм и 1,4-нм узлов. Эти системы потребуют серьезных изменений: более крупные зеркала, новые конструкции иллюминатора и даже более жесткие вакуумные допуски. ASML уже отправила первый прототип с высоким уровнем NA партнерам по исследованиям и разработкам.

Под-2 нм Узоры

Ниже 2 нм одноконтактный EUV, вероятно, достигнет своего фундаментального предела разрешения (около 8 нм полупериодического). Для продолжения масштабирования отрасль будет сочетать EUV с дополнительными методами, такими как многопаттернирование, направленная самосборка или даже литография отпечатков. Другая возможность - использование EUV для многократных экспозиций с различными масками для создания сложных моделей, хотя это увеличивает стоимость.

За пределами ЕСВ: Литографические технологии будущего

В то время как EUV, как ожидается, будет служить до конца этого десятилетия, исследования уже ведутся для вне EUV. Варианты включают: (1) туннельную электронно-лучевую литографию, которая использует излучение экстремального поля для рисунка с точностью до субнм; (2) рентгеновскую литографию с длиной волны около 1 нм; и (3) интерференционную литографию для специализированных применений. Однако ни один из них еще не готов для производства большого объема. В обозримом будущем EUV останется рабочей лошадкой, с постепенными инновациями, продлевающими его жизнь , поскольку ASML и его партнеры продолжают улучшать источник питания, оптику и материалы.

Материалы и интеграция процессов

Будущие узлы также потребуют инноваций в интеграции EUV с новыми транзисторными архитектурами, такими как нанолисты с полным затвором (GAA) и сложенные транзисторы. Точное моделирование высвобождения нанолистов, внутренние прокладки и контакты будут в значительной степени зависеть от разрешения EUV. Кроме того, передовые методы упаковки, такие как гибридное связывание, потребуют тонкого шаблона межсоединений, которые может обеспечить EUV. Взаимодействие между литографией и интеграцией процессов - это то, где возникают многие практические проблемы, и совместные исследовательские усилия в imec и другие консорциумы решают эти проблемы.

Заключение

Литография EUV уже трансформировала производство микропроцессоров, что позволило промышленности продолжать сокращать транзисторы в темпе, который был бы невозможен с более старыми инструментами DUV. Ключевые инновации - в источниках света, отражающей оптике, масках, пелликлеях и сопротивлениях - превратили когда-то непрактичную концепцию в производственную реальность. Результатом является новое поколение микропроцессоров, которые быстрее, энергоэффективнее и плотнее интегрированы, чем когда-либо прежде. Однако путешествие далеко не закончено. Проблемы дефектности маски, стоимости источника и производительности сопротивления остаются, расширяя границы науки и техники. Поскольку отрасль готовится к высоко-NA EUV и за его пределами, инновации, возникающие из сегодняшних исследовательских лабораторий, будут формировать следующее десятилетие вычислительной мощности. Для более подробного технического обзора, FLT: 1 и FLT: 2 SEMATECH продолжают публиковать ценные дорожные карты и белые бумаги по технологии EUV.