Поскольку полупроводниковая промышленность продолжает раздвигать границы Закона Мура, неустанное стремление к меньшим, более быстрым и более энергоэффективным устройствам поставило нанопаттерны в самое сердце современного производства. Способность создавать функции, измеряющие всего несколько нанометров — в тысячи раз тоньше человеческого волоса — определяет производительность транзисторов, ячеек памяти и соединений в каждом передовом чипе. Методы нанопаттернов эволюционировали от простой оптической проекции до сложных физических и химических процессов, которые могут определять структуры с точностью до атомного масштаба. Эта статья предоставляет авторитетный обзор основных методов, используемых для достижения миниатюризации полупроводниковых устройств, изучения их основных принципов, текущих возможностей, компромиссов и новых технологий, которые будут формировать будущее производство.

Введение в нано-паттерны

Миниатюризация полупроводникового устройства следует фундаментальной экономической и технической логике масштабирования: меньшие транзисторы переключаются быстрее, потребляют меньше энергии и позволяют больше функциональных возможностей на единицу площади. Однако, поскольку критические размеры сокращаются ниже 10 нм, обычная фотолитография, которая опирается на свет для проецирования паттернов на фоточувствительное сопротивление, достигает фундаментальных физических пределов. Дифракционные эффекты размывают особенности меньше, чем длина волны обнажающего света, требуя либо более коротких длин волн, либо совершенно новых парадигм паттерна. Нанопаттерн охватывает все методы, способные создавать структуры с по меньшей мере одним измерением ниже 100 нм, и в продвинутых узлах, значительно ниже 10 нм. Эти методы не просто расширения старых процессов; они часто используют квантовую механику, материалы самосборки или механическую деформацию для достижения разрешения, недостижимого традиционной оптикой.

Стремление к экстремальной миниатюризации также ставит новые задачи: точность рисунка, шероховатость передней линии, точность наложения, контроль дефектов и стоимость за пластину. Ни одна технология не удовлетворяет всем требованиям для всех слоев устройств. Вместо этого производители полупроводников используют набор дополнительных методов, выбирая оптимальный подход для каждого критического слоя - от плавника FinFET до разреза ворот, через и металлическую линию. Понимание этих методов имеет важное значение для инженеров, исследователей и лиц, принимающих решения, ориентируясь на развивающийся ландшафт передовой литографии.

Ключевые технологии нано-паттернов

Современное нанопаттернирование можно широко разделить на методы прямой записи, которые создают шаблоны последовательно с чрезвычайной точностью, и методы репликации, которые передают шаблоны параллельно при высокой пропускной способности.В следующих разделах подробно описаны наиболее влиятельные методы, в настоящее время развернутые в исследованиях и производстве.

Электронно-лучевая литография (EBL)

Электронно-лучевая литография использует сфокусированный луч электронов для того, чтобы выставлять материал сопротивления по точкам, непосредственно записывая желаемый рисунок без маски. Поскольку длина волны электронов де Бройля при типичных ускоряющих напряжениях (10-100 кэВ) ниже 0,01 нм, дифракция не ограничивает разрешение. Вместо этого EBL ограничена рассеянием электронов внутри резистента и подложки — эффектом близости — и размером пятна электронной колонки. При тщательных алгоритмах коррекции могут быть достигнуты функции до 5 нм, и в исследовательских установках были продемонстрированы суб-1 нм паттерны с использованием аберрации, исправленной оптикой.

Основным преимуществом EBL является его непревзойденная гибкость и разрешение. Это метод выбора для исследований и разработок, прототипирования, изготовления масок для фотолитографии и мелкосерийного производства специализированных устройств, таких как фотонные кристаллы, квантовые точки и одноэлектронные транзисторы. Однако EBL по своей сути является серийным: написание всей 300-мм пластины займет дни или недели, что делает его коммерчески непрактичным для производства больших объемов, за исключением изготовления маски. Недавние достижения в области многолучевой электронной литографии, такие как MAPPER (теперь часть ASML) и многолучевой маски от IMS Nanofabrication, пытаются преодолеть это узкое место пропускной способности путем параллелизации тысяч пучков. Эти системы могут писать целую маску в часах, а не днях, но прямое написание на пластинах остается слишком медленным для основной логики или производства памяти.

На практике EBL незаменим для прототипирования и для производства фотомасок, используемых в экстремально ультрафиолетовой (EUV) и глубокой ультрафиолетовой (DUV) литографии. Разрешение и точность размещения современных масок (лучше 1 нм) непосредственно влияют на конечные модели пластин. Для получения дополнительной информации о технологии многолучевой передачи см. метрология электронного луча ASML и проверка .

Наноимпринтная литография (NIL)

Наноимпринтная литография использует принципиально иной подход: вместо проецирования света или записи частицами, он физически нажимает предварительно узорчатую форму (часто из кремния или слитого кремнезема) на тонкий слой сопротивления, который был нагрет или отвержден ультрафиолетовым светом. Сопротивление впадает в полости формы, и после затвердевания форма удаляется, оставляя отрицательную копию основного рисунка. Вариант шага и вспышки (SFIL) использует УФ-отверждаемые сопротивления при комнатной температуре, что позволяет более тонко контролировать толщину и уменьшать проблемы теплового расширения.

NIL предлагает разрешение, ограниченное только изготовлением формы, которое может быть сделано с использованием EBL. Были продемонстрированы функции, такие как малый полный шаг 5 нм. Эта технология по своей сути является высокопроизводительной, потому что весь шаблон передается в одном прессе, и несколько штампов могут использоваться параллельно. Оборудование, такое как Nanonprinter Canon и технология EV Group, может обрабатывать десятки пластин в час, что делает NIL сильным кандидатом для таких приложений, как поляризаторы проводной сетки, узорчатые носители для жестких дисков и интегрированная фотоника.

Несмотря на эти преимущества, NIL сталкивается с проблемами в контроле дефектов и точности наложения. Частицы, захваченные между плесенью и сопротивлением, могут создавать повторяющиеся дефекты, а механический контакт вызывает опасения по поводу износа плесени и чистоты, необходимой для производства полупроводникового класса. Для слоев транзисторов переднего конца (FEOL) плотность дефектов должна быть ниже 1 на см2, что остается чрезвычайно трудным для NIL. Тем не менее, такие компании, как Canon, продолжают разрабатывать улучшенные процессы разделения и очистки. Технология уже используется в нишевых продуктах и оценивается для некоторых слоев памяти (например, дыры памяти в 3D NAND). См. Обзор технологии Canon Nanoimprint для текущих спецификаций.

Экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV)

Экстремальная ультрафиолетовая литография использует свет на длине волны 13,5 нм, производимый путем генерации плазмы из капель олова. Его короткая длина волны позволяет проецировать узоры с половинками до 13 нм в первом поколении (NA 0,33) и суб-8 нм с высоко-NA (0,55) оптикой в настоящее время развернуты. EUV системы используют отражающую оптику — многослойные зеркальные покрытия (Mo/Si), которые отражают только около 70% падающего света — и требуют работы вакуума, потому что EUV поглощается воздухом.

EUV в настоящее время является основой для наиболее критических слоев в продвинутой логике (7 нм, 5 нм и 3 нм узлов) и для ключевых этапов рисования в DRAM и NAND вспышки. Его разрешение в сочетании с возможностью однократного воздействия, которая заменяет несколько слоев DUV (сокращение количества масок и этапов процесса), обеспечивает значительные преимущества по стоимости владения на этих узлах. Однако источники EUV должны производить достаточную мощность (теперь около 300 Вт в промежуточном фокусе) для достижения приемлемой пропускной способности (более 150 пластин в час). Коллекторная оптика медленно ухудшается, и фоторезистивная чувствительность продолжает оптимизироваться для уменьшения стохастических дефектов - случайные изменения в шуме фотонного снимка, которые становятся значительными при очень низких дозах.

High-NA EUV, с числовой апертурой 0,55 и анаморфной оптической системой, будет расширять разрешение на одиночное воздействие ниже 8 нм. Он планируется к внедрению в крупносерийное производство примерно в 2025-2026 гг. Экономический и технический скачок существенен: ожидается, что стоимость системы превысит 300 миллионов долларов за инструмент. Для подробного технического обсуждения см.

Блок самосборки сополимеров и направленной самосборки (DSA)

Блок сополимерной самосборки использует фазовое разделение несмешивающихся полимерных блоков — обычно полистирол-b-полиметилметакрилата (PS-b-PMMA) — для формирования наноразмерных узоров с характерным шагом, определяемым полимерной архитектурой. При отжигах на нейтральной или химически узорчатой поверхности сополимер спонтанно организуется в ламели, цилиндры или сферические точки с размерами признаков до 5 нм и пределом разрешения ниже 3 нм в исследованиях. Этот подход снизу вверх устраняет необходимость в дорогостоящей проекционной оптике и может производить высокорегулярные массивы на больших площадях.

Прямая самосборка (DSA) объединяет предварительно отобранные направляющие структуры (созданные обычной литографией) с блок-сополимерной сборкой для достижения как регистрации, так и дальнего порядка.Пункт-руководство определяет размещение и ориентацию самособранных доменов, позволяя формировать контакты, сквозные или линейные/пространственные шаблоны на сублитографическом шаге. DSA особенно привлекательна для контактных отверстий и разрезанных слоев в логике и для увеличения плотности ячеек памяти NAND. В 2017 году консорциум во главе с imec продемонстрировал 7 нм контактные отверстия с использованием DSA на пилотной линии погружения 193 нм.

Однако ДСА страдает высокой дефектностью от дефектов рисунка (дислокации, разрывы линий) и требует тщательного контроля толщины пленки, температуры отжига и химии поверхности. Хотя метод был подтвержден в исследованиях, он еще не был принят в крупном производстве для наиболее критических слоев из-за уровней дефектов 10-100 × выше, чем те, которые требуются в полупроводниковой дорожной карте. Новые блок-сополимеры с высоким уровнем хи (с более сильными параметрами взаимодействия) разрабатываются для достижения разрешения суб-5 нм с лучшим подавлением дефектов. Обзор нанотехнологий природы по ДСА [[FLT: 1]] обеспечивает углубленный анализ.

Преимущества и проблемы каждой техники

Выбор правильного метода нанопаттерна требует разрешения взвешивания, пропускной способности, стоимости, дефектности и зрелости. В таблице ниже приведены ключевые компромиссы (примечание: это текстовое описание для соответствия формату только HTML).

Электронная литография пучка предлагает максимальное разрешение (<5 нм) и гибкость, идеально подходит для маскировки и НИОКР, но ее серийный характер приводит к очень низкой пропускной способности (часы на пластину), что делает ее непригодной для непосредственного записи в объемном производстве.

Наноимпринт литография достигает высокой пропускной способности (до 60 пластин в час) и разрешения до 5 нм при более низкой стоимости за воздействие, чем EUV. Его основной слабостью является дефектность от частиц и плохая точность наложения (обычно >5 нм), что ограничивает его использование менее критическими слоями или приложениями, где требования к плотности дефектов смягчаются.

Экстремальная ультрафиолетовая литография является действующим чемпионом по критическим слоям в передовых узлах, обеспечивая разрешение до 13 нм полувысота (низкая NA) и простираясь до менее 8 нм с высокой NA. Пропускная способность соответствует производственным целям объема (150-200 пластин в час), но стоимость инструмента и инфраструктура установки ошеломляют. Стохастические дефекты и сопротивление шероховатости края остаются областями активного улучшения.

Блок сополимера самосборки / DSA предлагает потенциал для суб-5 нм разрешения при чрезвычайно низкой стоимости на образец (поскольку полимер самосборки).Самым большим барьером является контроль дефектов: даже один неуместный цилиндр или разрыв в ламеле может разрушить устройство. Прогресс был медленным в приведении плотности дефектов ниже 1 на см2, но DSA остается центром исследований для будущих узлов.

Метрология и управление процессами для нанопаттернов

По мере сокращения характеристик способность измерять и проверять их становится такой же критической, как и само узорообразование. Метрология в нанометровых масштабах требует инструментов с разрешением под 1 нм и скоростью, чтобы идти в ногу с производством. Критическая размерная сканирующая электронная микроскопия (CD-SEM) является рабочей лошадкой для измерения ширины линии и расстояния. Однако электронная зарядка и повреждение пучка ограничивают ее использование на некоторых материалах. Атомная силовая микроскопия (AFM) обеспечивает трехмерную топографию, но медленна для встроенного мониторинга. Скаттерометрия (оптическая критическая размерность, OCD) с использованием спектроскопической эллипсометрии может неразрушающе измерять параметры профиля (высота, угол боковой стенки, подрез) на периодических структурах, но она опирается на точные модели и периодическую повторяемость.

Проверка дефектов становится более сложной, поскольку размер дефекта приближается к пределу обнаружения оптических инструментов. Проверка электронного луча (EBI) фиксирует дефекты на наноуровне, но слишком медленна для полного сканирования пластин; она используется в режиме выборки. В последние годы вычислительная метрология - объединение машинного обучения с физическими моделями - улучшила скорость и точность CD-SEM и рассеяния. Например, извлечение контура изображения SEM с использованием глубокого обучения может предсказать шероховатость края линии (LER) и коллапс шаблона с высокой точностью. Индустриальный консорциум imec AI для метрологии демонстрирует этот подход.

Интеграция в полупроводниковое производство

Методы нанопаттерна не используются изолированно; они должны легко интегрироваться в общий поток изготовления, который включает слои осаждения, травления, очистки и химически-механической полировки (CMP). Например, литография EUV может использоваться для рисования слоев плавника, ворот и металла, в то время как литография DUV погружения (193 нм) продолжает обрабатывать менее критические слои для снижения стоимости. После воздействия и разработки, шаблон сопротивления должен быть передан в основную жесткую маску через плазменное травление, чья избирательность и анизотропия становятся более сложными при небольших размерах. Шероховатость края в сопротивлении имеет тенденцию быть перенесена в вытравленные особенности, ухудшая производительность транзистора. Оптимизация резистентной химии - такая как резистентность оксида металла для EUV - помогает улучшить селективность и уменьшить шероховатость.

Методы многопланового двойного паттерна (SADP) и самовыравнивающегося четырехмерного паттерна (SAQP) остаются необходимыми для питчей ниже, которые достижимы на одном этапе литографии. Например, сканер погружения 193 нм может печатать шаг 80 нм; SADP разрезает его пополам до 40 нм, а SAQP - еще пополам до 20 нм. Эти процессы требуют чрезвычайно точного осаждения спейсера и управления травлением. DSA можно рассматривать как форму расширенного многопланового паттерна, который может толкать шаг ниже 10 нм без паттерна каждой функции индивидуально.

Еще одна проблема интеграции - наложение: каждый последовательный литографический слой должен выровняться с предыдущими слоями в пределах небольшой доли минимального размера функции. Передовые сканеры используют сложную метрологию и межэтапную обратную связь для достижения наложения менее 2 нм для EUV. Для NIL механическое выравнивание формы к пластине по своей сути сложнее, потому что тепловые и механические искажения различаются по штампу. Текущие системы NIL предлагают наложение около 5 нм, достаточное для некоторых применений, но не для самых плотных слоев затвора.

Новые и гибридные подходы

Несколько новых технологий обещают расширить возможности текущего нанопаттерна. Сканирующая зондовая литография (SPL) использует кончик атомно-силового микроскопа (или аналогичный) для механической или термической модификации сопротивления. Тепловая SPL (например, от SwissLitho) может записывать функции до 10 нм, нагревая полимер или окисляя поверхность. Методика медленная, но обеспечивает чрезвычайно острые края и способность восстанавливать или модифицировать узоры локально. Он рассматривается для ремонта маски и мелкомасштабного прототипирования.

Лазерное прямое написание с фемтосекундными импульсами предлагает неразрушающую двухфотонную абсорбционную полимеризацию в фоторезистах, способную к суб-100 нм трехмерным структурам. Он используется для микрооптики и фотонных устройств, но еще не для полупроводникового производства из-за его серийного характера и ограниченного разрешения.

Гибридные методы, которые объединяют два или более методов, являются активной областью исследований. Например, DSA может быть шаблонизирована с помощью разреженного EBL-образца для создания плотных массивов нанопроводов или квантовых точек. Или комбинация EUV и DSA может позволить контактные отверстия размером менее 10 нм с лучшим контролем дефектов. Другой гибридный подход использует линии блок-сополимеров для руководства размещением самособранных наночастиц для плазмонных устройств. Интерес полупроводниковой промышленности к гетерогенной интеграции и передовой упаковке также создает возможности для методов нанопаттерна, которые работают на изогнутых или больших подложках, за плоской кремниевой пластиной.

Будущие направления и масштабирование дорожной карты

Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS) предполагает, что физическая длина затвора транзисторов сократится до примерно 10 нм к 2030 году, требуя возможности построения образов на уровне до 7 нм. Ожидается, что высоко-NA EUV будет охватывать следующие два-три узла, но помимо этого решения станут спекулятивными. Возможные преемники включают мягкое рентгеновское излучение (λ = 2-4 нм) от лазеров со свободными электронами или лазерной плазмы, что может дополнительно снизить пределы дифракции. Альтернативно, системы с несколькими пучками прямой записи с тысячами электронных пучков могут, наконец, достичь приемлемой пропускной способности для некоторых слоев, если точность размещения пучка и чувствительность сопротивления улучшатся достаточно.

Другим перспективным направлением является направленная самосборка более сложных наноструктур с использованием ДНК-оригами или специально разработанных белков для размещения квантовых точек или металлических кластеров. Пока еще далеки от производства, эти биомиметические подходы могут достигать атомной точности. Наконец, отрасль может перейти к более «снизу вверх» процессам, где устройства собираются атом-по-атому, таким как осаждение атомного слоя (ALD) в сочетании с селективным осаждением области. Уже селективный ALD может осаждать металл на одном материале, избегая при этом других, потенциально устраняя необходимость в некоторых этапах литографии. Объединение селективного осаждения области с нанопаттерном может создать новые гибридные потоки, которые уменьшают количество критических слоев рисунка.

В конечном счете, экономика масштабирования будет определять принятие любой новой техники. Если стоимость одного транзистора продолжит падать, то будут внедрены новые технологии. Но если стоимость инструментов и установок для моделирования станет непомерно высокой, отрасль может перейти к решениям, связанным с дизайном, таким как логическое укладывание (CFET), интеграция в масштабе пластин или новые материалы, которые позволяют повысить производительность без агрессивного масштабирования. Сообщество нанопаттернов готовится к обоим сценариям, гарантируя, что набор инструментов будет идти в ногу с ненасытным спросом на миниатюризацию.

Заключение

Методы нанопаттерна являются невоспетыми вехами цифровой эпохи, обеспечивая возможность создавать материал в атомном масштабе для создания транзисторов, воспоминаний и соединений, которые питают все, от смартфонов до суперкомпьютеров. Электронная литография пучка обеспечивает высшее разрешение для прототипирования и изготовления масок; литография наноимпринта обеспечивает высокую пропускную способность и низкую стоимость для определенных приложений; экстремальная ультрафиолетовая литография является рабочей лошадкой для наиболее критических слоев в передовых узлах; и блок-сополимерная самосборка обещает функции суб-5 нм при минимальных затратах, хотя и с проблемами дефектности, которые еще предстоит преодолеть. По мере того, как полупроводниковая промышленность продвигается к 1 нм и далее, гибридные и новые методы будут присоединяться к этому инструменту, гарантируя, что неустанный марш миниатюризации продолжается. Понимая принципы, компромиссы и будущие направления каждого метода, инженеры и лица, принимающие решения, могут наметить курс к следующему поколению более мощных, эффективных и компактных электронных устройств.