探析EUV光刻未來的發(fā)展趨勢

用于高端邏輯半導(dǎo)體量產(chǎn)的EUV(Extreme Ultra-Violet，極紫外線光刻)曝光技術(shù)的未來藍(lán)圖逐漸“步入”我們的視野，從7nm階段的技術(shù)節(jié)點(diǎn)到今年(2019年，也是從今年開始)，每2年~3年一個(gè)階段向新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展。

高端邏輯半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的EUV曝光技術(shù)的藍(lán)圖。

也就是說，在EUV曝光技術(shù)的開發(fā)比較順利的情況下，5nm的量產(chǎn)日程時(shí)間會(huì)大約在2021年，3nm的量產(chǎn)時(shí)間大約在2023年。關(guān)于更先進(jìn)的2nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，還處于模糊階段，據(jù)預(yù)測，其量產(chǎn)時(shí)間最快也是在2026年。

決定解像度(Half Pitch)

的是波長和數(shù)值孔徑、工程系數(shù)

技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展推動(dòng)著半導(dǎo)體曝光技術(shù)解像度(Half Pitch)的發(fā)展，ArF液浸曝光技術(shù)和EUV曝光技術(shù)等的解像度(R)和曝光波長(λ)成正比，和光學(xué)的數(shù)值孔徑(NA，Numerical Aperture)成反比，也就是說，如果要增大解像度，需要在縮短波長的同時(shí)，擴(kuò)大數(shù)值孔徑。

實(shí)際上，解像度和被稱為“工程系數(shù)(k1)”的定數(shù)也成一定的比例關(guān)系。如果降低工程系數(shù)，解像度就會(huì)上升。但是，工程系數(shù)如果降低到最小極限值(0.25)，就無法再降低了。

ArF液浸曝光技術(shù)、EUV曝光技術(shù)中的解像度(Half Pitch)(R)和波長、數(shù)值孔徑(NA)、工程系數(shù)(k1)的關(guān)系。

在ArF液浸曝光技術(shù)、EUV曝光技術(shù)中，光源的波長是固定的，無法改變。順便說一下，ArF液浸曝光的波長是193nm，EUV曝光的波長是13.5nm。兩者有超過10倍的差距，單純計(jì)算的話，EUV曝光絕對是占優(yōu)勢。

對ArF液浸曝光技術(shù)以前的光制版(lithography)技術(shù)來說，提高數(shù)值孔徑是提高解像度的有效手段。具體來說，就是通過改良作為曝光設(shè)備的Stepper和Scanner，來提高數(shù)值孔徑。

與之相反，運(yùn)用EUV曝光技術(shù)的話，不怎么需要改變數(shù)值孔徑，EUV曝光技術(shù)利用X線的反射光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)擁有非常復(fù)雜的構(gòu)造，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的變化也會(huì)伴隨著巨額的開發(fā)投資。所以，過去一直以來EUV曝光設(shè)備方面從沒有更改過數(shù)值孔徑。最初的EUV scanner的數(shù)值孔徑是0.25，現(xiàn)行設(shè)備的數(shù)值孔徑是0.33，不管怎么說，和ArF Dry曝光技術(shù)的最高值(0.93)相比，都是很低的。

正如在本欄目中去年(2018年)12月報(bào)道的一樣(使用EUV曝光的高端邏輯半導(dǎo)體和高端DRAM的量產(chǎn)終于開始了!)，用于量產(chǎn)7nm的最尖端邏輯半導(dǎo)體的EUV scanner--“NXE:3400B”內(nèi)置的數(shù)值孔徑是0.33。

而且，今后數(shù)年內(nèi)，都會(huì)在使用數(shù)值孔徑為0.33的EUV scanner的同時(shí)，提高解像度。換句話說，也就是通過使用同樣數(shù)值孔徑的曝光設(shè)備來使解像度(Half Pitch)更細(xì)微化。

通過階段性地降低工程系數(shù)來提高解像度

所以，很多用來提高細(xì)微化的辦法都被限制了，因?yàn)椴ㄩL和數(shù)值孔徑是固定的，剩下的就是工程系數(shù)。光學(xué)方面，通過降低工程系數(shù)，可以提高解像度。和ArF液浸曝光技術(shù)一樣，通過和Multi-patterning 技術(shù)組合起來，就可以達(dá)到實(shí)質(zhì)上降低工程系數(shù)的效果。而且，機(jī)械方面，有必要降低曝光設(shè)備的重合誤差。

提高EUV曝光技術(shù)的解像度的方法(2019年以后)

據(jù)EUV曝光設(shè)備廠商ASML說，他們把未來EUV曝光技術(shù)方面的細(xì)微化工作分為“四代”?，F(xiàn)行技術(shù)水平是第一代，同時(shí)也是7nm邏輯半導(dǎo)體的量產(chǎn)是用的技術(shù)。工程系數(shù)是0.45左右。

第二代是把工程系數(shù)降低到0.40以下，通過改良曝光技術(shù)的硬件(光學(xué)方面)和軟件(阻焊層，resist)得以實(shí)現(xiàn)。其技術(shù)核心也不過是改良現(xiàn)行技術(shù)。

第三代是把工程系數(shù)降低到0.30以下，要得以實(shí)現(xiàn)，只改良現(xiàn)行技術(shù)比較困難，需要導(dǎo)入像Multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等這些基本要素。

第四代，由于工程系數(shù)無法再降低，所以開發(fā)新的光學(xué)系統(tǒng)，它可以數(shù)值孔徑提高到0.55。

EUV曝光設(shè)備廠家ASML公布的EUV曝光技術(shù)的發(fā)展。

ASML公布的技術(shù)發(fā)展資料里面沒有提到工程系數(shù)的具體數(shù)值，不過我們把工程系數(shù)的假設(shè)值放進(jìn)去計(jì)算了一下，看看解像度可以提到何種程度，現(xiàn)行(第一代)的工程系數(shù)是0.46，其對應(yīng)的解像度(Half Pitch)是19nm。

假設(shè)第二代的工程系數(shù)為0.39，對應(yīng)的解像度為16nm，如果是最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的話，可以適用于7nm~5nm的量產(chǎn)品。

假設(shè)第三代的工程系數(shù)是0.29，對應(yīng)的解像度是12nm，如果是最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的話，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

由于第四代大幅度更改了數(shù)值孔徑，工程系數(shù)假設(shè)為0.46，和第一代相同。假設(shè)數(shù)值孔徑為0.55，工程系數(shù)即使增加為0.46，相對應(yīng)的解像度也和第三代基本相同，為11.3nm，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

EUV曝光技術(shù)發(fā)展和解像度的發(fā)展。以EUV曝光機(jī)廠商ASML發(fā)布的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)作者推測的數(shù)字。

把Multi-patterning(多重曝光)

導(dǎo)入到EUV曝光技術(shù)里

不需要改良光學(xué)系統(tǒng)和阻焊層(resist)等曝光技術(shù)，把工程系數(shù)k1實(shí)質(zhì)性地降低的辦法----Multi-patterning(多重曝光)技術(shù)。正在討論把ArF液浸曝光方面廣泛普及的多重曝光技術(shù)應(yīng)用到EUV曝光技術(shù)里。

比方說，兩次曝光就是導(dǎo)入LELE技術(shù)，即重復(fù)兩次Lithography(L)和Etching(E)，如果把LELE技術(shù)導(dǎo)入到工程系數(shù)為0.46的EUV曝光技術(shù)(數(shù)值孔徑為0.33)上，解像度會(huì)變?yōu)?6nm，這和把單次曝光時(shí)的工程系數(shù)降到0.39得到的效果一樣。

三次曝光，即導(dǎo)入LELELE技術(shù)，重復(fù)三次Lithography(L)和Etching(E)，再次降低解像度，為12nm，這和把單次曝光時(shí)的工程系數(shù)降低到0.29得到的效果一樣。

但是，利用多重曝光技術(shù)的話，“吞吐量(through-put)”會(huì)大幅度降低，單次曝光(SE技術(shù))的晶圓處理數(shù)量約為130片/小時(shí)，兩次曝光(LELE)曝光的話，下降為70片/小時(shí)，三次曝光(LELELE)曝光的“吞吐量”下降為單次的1/3，為40片/小時(shí)。

聯(lián)合運(yùn)用EUV曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的變化(k1是0.46)，作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)總結(jié)的數(shù)字。

總結(jié)一下，新型的5nm技術(shù)有兩個(gè)方向，第一、維持著單次曝光技術(shù)的同時(shí)，把工程系數(shù)下降到0.39;第二、通過利用兩次曝光(LELE技術(shù))技術(shù)，實(shí)質(zhì)性地降低工程系數(shù)。兩個(gè)的解像度都是16nm，預(yù)計(jì)量產(chǎn)開始時(shí)間為2021年。如果采用兩次曝光技術(shù)，預(yù)計(jì)量產(chǎn)時(shí)間可以提前到2020年。

第三代的3nm技術(shù)的節(jié)點(diǎn)稍微有點(diǎn)復(fù)雜，有三個(gè)方向：第一、把單次曝光的工程系數(shù)維持為0.29;第二、聯(lián)合兩次曝光(LELE技術(shù))和把工程系數(shù)改為0.39的曝光技術(shù);第三、利用三次曝光(LELELE)技術(shù)。三個(gè)方向的解像度都是12nm，預(yù)計(jì)量產(chǎn)時(shí)間為2023年。但是，如果采用三次曝光的話，量產(chǎn)時(shí)間有可能再提前。

關(guān)于第四代2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，如果用數(shù)值孔徑為0.33的EUV曝光技術(shù)估計(jì)很難實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該是期待把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術(shù)。

EUV曝光設(shè)備的組合運(yùn)用，

繼續(xù)改良精度和生產(chǎn)性能

EUV曝光技術(shù)的開發(fā)方面最重要的是EUV曝光設(shè)備(EUV scanner)的改良。EUV曝光設(shè)備廠商ASML已經(jīng)公布了繼用于現(xiàn)行量產(chǎn)品7nm的EUV scanner--“NXE:3400B”之后的開發(fā)藍(lán)圖。

據(jù)ASML的技術(shù)藍(lán)圖預(yù)測，以“NXE:3400B”為基礎(chǔ)，首次開發(fā)降低重合誤差的版本，后面是以“降低重合誤差版本”為基礎(chǔ)，開發(fā)提高“吐出量”(生產(chǎn)性能)的版本。預(yù)計(jì)在今年(2019年)的上半年，完成這些改良。

基于以上改良成果的新產(chǎn)品“NXE:3400C”預(yù)計(jì)會(huì)在今年年末開始出貨，預(yù)計(jì)“NXE:3400C”將要“擔(dān)任”5nm的量產(chǎn)工作。

而且，降低重合誤差的同時(shí)，還要開發(fā)提高產(chǎn)能的新版本，ASML還沒有公布新版本的型號(hào)，出貨時(shí)間預(yù)計(jì)在2021年的下半年，新版本應(yīng)該會(huì)承擔(dān)3nm的量產(chǎn)工作吧。

EUV曝光設(shè)備(EUV scanner)的開發(fā)藍(lán)圖，作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)匯總的。

EUV曝光設(shè)備的開發(fā)藍(lán)圖，摘自2018年12月ASML在國際學(xué)會(huì)IEDM上發(fā)布的論文。

新一代用于量產(chǎn)的EUV曝光設(shè)備(EUV scanner)“NXE:3400C”的概要，出自ASML在2018年12月國際學(xué)會(huì)IEDM的演講資料。

這些曝光設(shè)備基本都是搭載了數(shù)值孔徑為0.33的光學(xué)系統(tǒng)。ASML同時(shí)也在致力于開發(fā)把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光設(shè)備。

被ASML稱為“High NA”的、數(shù)值孔徑為0.55的EUV scanner的出貨時(shí)間預(yù)計(jì)在2023年的下半年，首批試驗(yàn)設(shè)備預(yù)計(jì)在2021年年底做成。關(guān)于“High NA”設(shè)備的開發(fā)情況，我們后續(xù)會(huì)繼續(xù)報(bào)道。