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寻求曲线光罩

为什么这项技术对芯片扩展至关重要,还有哪些问题需要解决。

受欢迎程度

半导体行业在高级曲线上的开发方面取得了明显的进展,这项技术在最先进的节点中对芯片设计具有广泛影响的技术以及更快地制造这些芯片的能力。

现在的问题是,这项技术何时才能超越其定位于利基市场的地位,进入大批量生产阶段。多年来,业内一直致力于开发先进的复杂曲线形状光掩模采用反光刻技术(ILT)。这些复杂的掩模形状可以合并在两者上光学EUV但是,将这些技术引入到大规模生产中并不容易。基于更传统的矩形形状的光学和EUV掩模已经生产多年了。

图1:(l)用于不同间距和方向的TrueMask曲线掩模SEM,以及(R)对应的晶片打印SEM。资料来源:D2S.

图1:(l)用于不同间距和方向的TrueMask曲线掩模SEM,以及(R)对应的晶片打印SEM。资料来源:D2S.

曲线ILT遮罩并不新鲜。它们是几种光掩模中的一种,是集成电路制造供应链中的关键部件。在处理流程中,芯片制造商设计一个集成电路,然后将其转换成文件格式。然后,在光掩码设备中,一个掩码是基于该格式开发的。

光掩模是给定集成电路设计的主模板。掩模开发完成后,就会被送到工厂。掩模被放置在光刻扫描器中。扫描仪将光线投射到掩模上,掩模将影像印在晶圆片上。

今天的面具,包括那些基于光学和极紫外(EUV)光刻技术的面具,都有类似矩形或所谓的曼哈顿形状的微小特征。在某些情况下,光罩有简单的曲线或直线形状。然而,在advanced nodes,芯片制造商想要更先进的掩模。

这就是曲线ILT遮罩适合的地方。在近15年的工作中,ILT使用一个数学公式来计算光罩上所需的形状,这是自由形式的曲线类型。ILT不仅增加了芯片制造的过程窗口,而且使晶圆上的形状具有最佳性能。这对于难以打印的小而复杂的功能来说是很重要的。

但这仍然不容易。曲线ILT技术需要大量的计算能力来运行算法。它还需要合适的面具制作设备。也不是所有的部分都到位了。因此,多年来,ILT技术在起步阶段经历了一些困难。它主要用于面向小众市场的应用程序,如热点。这是只有一小部分遮罩布局需要ILT,而其余部分使用传统和简单的功能。另一方面,曲线ILT蒙版开始在有限的情况下扎根,特别是在内存中。

HJL光刻公司的负责人Harry Levinson说:“曲线ILT比只有曼哈顿功能可以实现的更好的处理窗口。”“curve还没有在大批量生产中使用。由于所需的计算时间较长,ILT的使用较少。

根据一项调查,所有掩模类型上的曲线形状预计将变得更加普遍,因为这项调查eBeam倡议。但为了加快这一进程,该行业正在采取几项措施,包括:

  • 英特尔、三星、台积电以及EDA供应商最近成立了一个工作组,该工作组正在开发一种新的文件格式标准,以处理复杂的曲线掩模形状。已经提出了几种格式标准,该小组最近概述了它们的现状。
  • D2S已经开发了一个计算系统,可以在一天内完成ILT设计。西门子、Synopsys和其他公司提供各种ILT产品。
  • 英特尔的IMS纳米制造部门和NuFlare分别准备了他们的下一代多光束掩模书写系统,用于绘制复杂掩模,包括曲线特性。

子波长时代
在20世纪90年代,IC供应商使用365纳米波长光刻系统在芯片上刻印特征。当时,光刻工艺相对简单。集成电路特征尺寸大于光刻波长。

到20世纪90年代中期,集成电路厂商在芯片生产中转向了248nm波长光刻扫描仪的250nm和/或180nm节点。突然,芯片特征尺寸变得比光刻波长还小,使半导体行业进入了所谓的亚波长时代。

这反过来增加了光刻和掩模制作的复杂性,并要求整个供应链进行一些重大的改变。首先,行业需要一个新的数据格式标准。直到2004年,GDSII是半导体行业事实上的数据文件格式标准。如上所述,在流程中,集成电路设计被转换成数据文件格式。该格式表示芯片设计的物理布局。

然而,GDSII是有限的。因此,在2004年,业界开发了一种新的数据文件格式标准,称为开放艺术品系统交换标准(OASIS)。OASIS定义了芯片设计和制造中几何形状所需的代码,目前大部分芯片都使用它。

亚波长时代也需要在掩模上进行创新,如分辨率增强技术(RETs)。Fractilia公司的CTO Chris Mack解释说:“RETs的设计目的是提高给定数值孔径和波长的光学光刻工具的可用分辨率。”

一个叫,叫光学邻近校正(OPC),成为从2001年开始于250nm节点的要求。OPC涉及在面具上形成微小的辅助功能。这些功能在晶圆上不打印。相反,它们修改并提升掩模图像模式。

“OPC使用规则和基于模型的方法来修改布局形状以补偿光刻非线性,”Peter Buck,MPC和Mask缺陷管理主任西门子数字工业软件

同时,在处理流程中,一个文件格式(OASIS)被发送给芯片制造商,后者处理计算密集型的OPC进程。从那里,数据被发送到掩模供应商,在那里制作掩模。传统的光掩膜厚度为6 × 6英寸,¼英寸厚,由玻璃基板上一层不透明的铬组成。

要制作一个蒙版,第一步是创建一个空白的蒙版。由掩模毛坯厂商生产,毛坯是掩模的基本结构。一旦制出了空白,它就被运送到光掩模供应商那里。然后,在光罩设备,一个蒙版空白是图案,蚀刻,修复和检查,创建一个独特的功能的蒙版。

制模步骤是至关重要的。在此过程中,利用基于给定集成电路设计的掩模写入系统对空白进行模式化。在21世纪的头十年,现有的面具编写者失去了动力,促使该行业转向一种新技术。

从2000年开始,光掩模制造商开始采用基于可变形状光束(VSB)技术的单光束电子束掩模写入系统。VSB的编剧们使用一对叠加的光圈来创造一个镜头。面具图案是由矩形和直角三角形组成的,”Buck说。

每个面具都是不同的。一个电子束面具作家将花很少的时间来图案一个简单的面具。复杂的蒙版需要更长的时间。业界使用术语“写入时间”,它决定了电子束写入掩模层的速度。

尽管如此,口罩制造商还是熬过了亚波长时代,至少最初是这样。使用VSB掩模器和其他设备,掩模供应商能够开发简单和复杂的掩模。

当一个名为Luminsent的启动时,2007年出现了另一项创新,延伸出宇宙技术。考虑到RET,ILT是一种更复杂的OPC形式,使掩模上的直线和曲线形状。

在ILT中,你知道你想要打印的东西。如果你能模拟扫描光学,那么你就能逆向计算掩模上的东西。因此,这将给你的图案保真度和最佳的工艺窗口,”Leo Pang解释道,他是首席产品官兼执行副总裁d2在几年前的一次采访中。2004年至2014年,彭日成是Luminescent的前任高管。(Luminescent公司不再以单一实体的形式运营。该公司的部分业务被Synopsys和KLA收购。)

ILT和OPC略有不同。在OPC中,你从一个简单的模式开始,然后计算间距和特征尺寸——根据一位专家的说法,这是一种校准结构。然后,评估晶圆片上的可打印性,并创建一个模型来生成放置在设计模式上特定位置的工件。这样就可以在晶圆片上得到预期的结果。

无论如何,ILT是领先于它的时代的。首先,处理ILT数据需要巨大的计算能力。使用VSB面具作家,ILT的写作时间太长了。

所以ILT被搁置了。然而,游戏行业并没有放弃曲线特征。在绿洲标准下,曲线形状得到认可,但没有得到充分发展。基本上,OPC可以生成直线和简单的曲线形状。

然而,在2000年代后期,向OPC和其他形式的RETs的转变创造了更复杂的掩模。因此,电子束掩模编辑工具花了更长的时间来制作掩模,从而影响了掩模的周转时间和成本。

从2001年到2005年,电子束写入时间是恒定的,平均每个掩模组8小时。然后,从2007年到2012年,平均写入时间增加到10小时。到2010年代,写作时间是24小时或更长。

多束时代
幸运的是,有一个解决办法。2016年,英特尔(Intel)旗下的IMS推出了全球首款智能手机多波束面具作家。与传统的VSB工具不同,这是单光束系统,IMS的多光束掩模编写器采用262,144微小的辐射,以加快光掩模的写入时间。

该系统解决了写时间问题。多波束工具的写入时间是恒定的,所有掩模需要12小时或更少。DNP的研究员Naoya Hayashi在SPIE Advanced Lithography的一次演讲中说:“你有一个固定的写入时间,这与子弹数或图案复杂度无关。”“多光束掩模作者对于复杂和高精度掩模,如EUV掩模是必不可少的。”

EUV这是一种利用13.5nm波长在芯片上刻印微小特征的下一代光刻技术。2018年,芯片制造商为了解决一个重大问题,在7nm逻辑节点上插入了ASML的EUV扫描仪。通过使用多模式,芯片制造商将传统的193nm光刻技术扩展到了7nm。但在今天的5nm制程节点,使用这些技术太复杂了。

这就是EUV适用的地方。EUV简化了处理过程,并使芯片制造商能够在7nm及以上处理最困难的特性。今天,一些芯片制造商正在使用ASML的7纳米和5纳米EUV扫描仪。

像光学光刻一样,EUV也需要掩模。但是EUV掩膜是不同的。EUV掩模由衬底上的薄硅和钼交替层组成。这就产生了厚度在250nm到350nm之间的多层叠加。

EUV面罩像光学面罩一样生产。开发了EUV掩模坯料,然后使用多光束掩模写入器进行模式化。然后,对结构进行蚀刻、修复和检查,创建EUV掩模。

图2:EUV掩模制作步骤。来源:Sematech

图2:EUV掩模制作步骤。来源:Sematech

EUV面罩使用传统形状进行图案化。“今天,面膜上的绝大多数形状是曼哈顿形状,意思是轴平行的直边和90度角,虽然有45度边缘,”D2S首席执行官Aki Fujimura说。

虽然这些形状适用于光学和EUV掩模,但该行业现在将目光投向了一种领先于其时代ilt的技术。

教师时代?
与以前一样,该行业希望开发全领域曲线ILT遮罩。光学和EUV掩模都可以由这些曲线形状组成。

使用ILT进行热点修复也是一种选择。在这种情况下,遮罩的一部分将需要使用ILT绘制曲线形状。面具的其余部分将使用传统和简单的形状。

在所有情况下,ILT都是一种实现技术。它有望缓解限制,并实现最困难的功能,如微型接触,切割,和通过集成电路设计。“反光刻技术是光学接近校正的一种先进形式,”Fujimura说。“我们的目标是设计掩模形状,使其能够在给定的目标设计形状下产生最佳的晶圆性能。晶圆性能的衡量标准是,晶圆上的名义形状与晶圆上的投影有多接近,以及晶圆上的形状对生产变化的弹性有多大。”

热点维修并不是新的,已经使用了多年。供应商已经展示了全场店主蒙版。但这些面具尚未在大众制造中,尽管它们被用于有限的记忆案例。

在2023次时间框架中,曲线图件可能在3nm / 2nm处变得更加普遍。然而,在3nm / 2nm,挑战是巨大的。根据IRDS路线图,在3NM节点处,设备中的最小特征大小为12nm,与5nm节点的15nm相比。

然后,在fab中,EUV光刻技术在5nm及以上从单模版向双模版转变。该公司副总裁Richard Wise表示:“在EUV中实现多种模式是可行的,但也会增加客户的成本林的研究。“此外,覆盖仍然是EUV的一个挑战,因为规模的扩大会导致覆盖目标更加激进。”

光刻不是唯一的挑战。“5NM的共同优化新型薄膜,蚀刻和清洁技术对于实现具有成本效益的流程整合至关重要,”综合解决方案规划副总裁Kazuya Okubo表示是至关重要的电话,在Spie高级光刻的演示期间。

尽管如此,有一个伊尔特的地方。“即使是EUV,我们仍然需要使用戏剧性的掩模校正。很多时候,传统的曼哈顿形状的图案不够好。如果我们留在曼哈顿形状,过程窗口和光伏乐队会受到影响。董事丹平彭说,ILT实际上进入了救援台积电,在最近由EBEAM倡议赞助的小组中。

但是,在曲线ILT掩模技术进入量产之前,必须有几个技术到位,即新的文件格式标准、更强大的计算能力和先进的掩模设备。

首先,行业将需要一个新的曲线技术数据文件格式标准。首先,EUV掩模的数据量正在爆炸式增长。根据三星和西门子最近的一篇论文,与光刻技术相比,EUV的每个掩模的数据量增加了5倍。曲线ILT的数据量预计将增加更多,根据该论文。

OASIS,当前数据格式标准,识别曲线形状,但根据纸张表示复杂的截图数据不足。

“curve为小特征提供了更好的处理空间。获得曲线结构的主要方法是使用反光刻技术。”“curve创造了更大的数据量。与直线形状不同的是,现在的曲线形状包含许多小边缘段。这导致了SEMI P44 (OASIS)布局格式的数据量爆炸。这需要新的解决方案。”

作为回应,2019年的行业形成了一个新的数据格式工作组,以解决对曲线数据表示的需求。本集团由三星,台积电和英特尔驱动,具有来自西门子,日民控制系统,D2S,aselta和ASML的代表。

这些公司计划在SEMI下正式成立工作组。其目标是开发一种基于曲线技术的新文件格式标准。拟议中的标准不会取代OASIS,而是当前标准的一个子集。

今天,该行业正在寻找四种方法或可能的标准——二次贝塞尔、b样条、多边形简化和基于曲率的分割(CBF)。

每一个都有不同的方法来表示曲线数据。二次贝塞尔曲线拟合方法和b样条曲线拟合方法。三星和西门子的论文指出:“二次贝塞尔曲线由3个控制点定义。”二次b样条曲线是一种分段曲线,其每个分量都可以用一个二次多项式来表示。

“这是两种比分段线性多边形更有效地表示曲线图案的方法。根据允许的拟合公差,我们看到与P44 OASIS相比,使用这些方法的压缩倍数在2倍至8倍之间。”

缺点是,从OPC到掩码编写的EDA工具需要修改以支持新的曲线格式,并且需要定义新的或修改过的布局格式。

相比之下,多边形简化和CBF利用OASIS方法。“这两种方法使用标准P44 OASIS,因此没有必要的新格式,”BUCK表示。“可以在OPC或MPC读数内完成添加多边形简化或曲率的碎片。后传出流程中的其他工具可能不需要更改。多边形简化方法试图使用像边缘位置误差和面积丢失等度量来消除不必要的顶点。CBF或基于曲率的碎片,重新碎片形状以共同优化数据量,准确性和MPC运行时,基于局部曲率的局部大小。“

到目前为止,这里没有达成共识。虽然该行业试图竖起标准,但在采用ILT掩模之前需要落到原地。相关的曲线切口屏幕的处理或运行时间过长,限制了该技术的实际应用。

作为回应,D2S最近推出了gpu加速硬件和软件系统,可以在一天内实现无缝全芯片ILT的高级设计。这是一个良好的开端,尽管行业可能需要更多的马力下一代ILT掩模。

如果这还不够,行业必须以可接受的成本大批量生产曲线ILT遮罩。基本上,曲线ILT口罩制造像任何其他口罩。

制模步骤需要一个多波束掩模写入器。事实上,英特尔的IMS部门和NuFlare正在为3nm节点准备下一代掩模编写器。

IMS正在推出其第二代工具——MBMW-201,这是一个50KeV系统,有262144个波束。IMS正准备推出一个新的50KeV版本,称为MBMW-301,它的目标是3nm。与此同时,在最初的多波束系统失败后,NuFlare正在准备它的下一个版本。MBM-2000是一种多波束工具,具有16nm的波束。

除了掩码书写,检查也很重要。使用检查系统,光罩供应商希望寻找掩模上的缺陷。“曲线设计的遮罩,正如预期的那样,与标准遮罩相比,检查更具挑战性,”James Westphal,高级总监说心理契约。“在掩模车间,需要使用模到数据库算法的先进系统,并利用更高的计算和存储容量,以满足更复杂和计算密集型数据库处理的需求。在IC晶圆厂,需要模到金的划子检测技术,以解决传统模到模比较导致的图案保真度变化带来的麻烦。”

面膜修复,在面具商店的苍蝇上固定面膜缺陷的艺术也在挑战。在整个面具制造过程中污染和掩模特征尺寸的污染带来的传统缺陷和软缺陷挑战,预计将在3米及以后继续进行掩模技术,“技术总监Jeff Leclaire说:产品开发at.力量

结论
显然,面膜制造商希望掩模上的曲线形状,特别是在3nm及以后的EUV。

ILT的许多部分正在到位。仍然有一些差距,需要解决。

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1评论

疯狂的 说:

另一篇精彩的文章,涵盖了历史、基本原理、细节——我不明白为什么其他人不停下来评论,它已经被分享了100多次。
小问题:
一个掩模只能在晶圆上显示一个图案,这是“接触打印”和自由空间光线的傅里叶变换的混合。然而,相反的情况是不正确的,对于晶圆片上的一个给定图案有许多可能的掩模特征-正如manhattan或ILT所证明的那样。如何从近乎无限的选择中选择出最好的蒙版图案呢?

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