為何聚焦高數(shù)值孔徑EUV光刻技術？
過去兩年是高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術發(fā)展的關鍵時期。隨著首批系統(tǒng)交付客戶，以及ASML與imec聯(lián)合成立的高數(shù)值孔徑極紫外光刻實驗室正式啟動——這為整個生態(tài)系統(tǒng)提供了早期探索其潛力的機會——這項技術正獲得真正的發(fā)展動力。目前，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術展現(xiàn)出巨大潛力，有望兌現(xiàn)其在尺寸微縮、工藝簡化和設計靈活性方面的承諾。
這些能力的釋放源于一種整體方法，該方法同時優(yōu)化材料和圖案化工藝、掩模和成像技術、光刻增強技術（例如光學鄰近校正(OPC)）、計量和檢測以及設計。這是imec-ASML高數(shù)值孔徑EUV生態(tài)系統(tǒng)內強大合作的成果，該生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了領先的芯片制造商、設備、材料和光刻膠供應商、掩模公司以及計量專家。
本文探討了高數(shù)值孔徑EUV光刻技術背后的關鍵驅動因素，并重點介紹了光刻和圖案化生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展中的轉折點，這些轉折點使得該技術得以進行實驗驗證。
更高的分辨率和圖像對比度
與0.33NA EUV光刻相比，0.55NA EUV光刻的數(shù)值孔徑(NA)提高了67%，因此有望獲得更高分辨率。
解析間距小至16納米的線條：世界紀錄
光刻系統(tǒng)的分辨率反映了該工具打印和分辨特定間距或關鍵尺寸(CD)特征的能力。瑞利方程提供了三個提高分辨率的途徑：使用更小的k1因子、使用更短波長的光以及提高系統(tǒng)投影鏡頭的數(shù)值孔徑(NA)。k1因子取決于許多與芯片制造工藝相關的因素，為了提高分辨率，通常會盡可能接近其物理極限0.25。NA控制用于成像的光量（更準確地說，是鏡頭捕獲的衍射級數(shù)）。低NA(0.33)和高NA(0.55)EUV光刻均使用波長為13.5nm的光。但高NA EUV的NA值比低NA EUV高67%，這使其在分辨率方面具有明顯優(yōu)勢，最終有望分辨出間距小至16nm（或CD為8nm）的線條。
2024年，imec在ASML-imec高數(shù)值孔徑EUV光刻實驗室中，利用0.55NA EUV光刻掃描儀（TWINSCAN EXE:5000）實現(xiàn)了16nm間距線/空的單次打印圖像，創(chuàng)造了世界紀錄。這些圖像打印在專為高數(shù)值孔徑EUV光刻優(yōu)化的金屬氧化物光刻膠（MOR）上。同樣，接觸孔（打印在化學放大光刻膠（CAR）上）和柱狀結構（打印在MOR上）也展現(xiàn)了令人矚目的24nm間距（中心距）分辨率。
然而，最終分辨率僅僅是一個“光學”上的承諾，它反映的是圖像在照射到晶圓之前空中成像的質量。在晶圓曝光過程中，空中成像會在光刻膠中形成圖案，這些圖案在顯影后會被進一步蝕刻到下層材料中。因此，最終圖案化結構的分辨率也取決于圖案化過程中使用的材料（光刻膠、下層材料、硬掩模等）和蝕刻工藝的性能。工藝限制也可能影響300mm晶圓上最終結構的良率。
因此，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術（High NA EUV）實現(xiàn)工業(yè)相關圖案化結構的分辨率極限將大于16nm間距。先進的光刻材料研發(fā)工作，特別是新型材料和磁光刻（MOR）技術的研發(fā)，對于使圖案化技術的分辨率盡可能接近高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術的理論極限至關重要。
2025年，imec展示了20nm間距的金屬化線結構，該結構適用于工業(yè)級鑲嵌金屬化工藝；此外，還展示了采用直接金屬刻蝕（DME）金屬化方案獲得的20nm和18nm間距的釕線。這種極高的分辨率是通過一種整體方法實現(xiàn)的，該方法涉及對光學鄰近校正（OPC）技術、光掩模、光刻膠、底層、刻蝕工藝和材料的協(xié)同優(yōu)化。
工藝簡化
芯片行業(yè)可能會認為，20nm的特征尺寸也可以使用低數(shù)值孔徑(Low NA)的極紫外(EUV)光刻技術進行圖案化。誠然如此，但這只能通過復雜的多次曝光步驟來實現(xiàn)。這涉及到將芯片圖案分割成兩個或多個“更簡單”的掩模，從而增加制造時間、降低良率、增加碳排放并提高成本。而高數(shù)值孔徑(High NA)的極紫外光刻技術所提供的高分辨率則減少了多次曝光的需求，使得最小的芯片特征尺寸能夠在一次曝光中完成印刷。
邏輯路線圖：邏輯A14和A10關鍵金屬層的單次圖案化
對于A14和A10邏輯節(jié)點，最關鍵的金屬層（即M0和M2）的要求非?？量蹋壕€/間距≤20nm，用于中斷線的密集端對端(T2T)結構（行業(yè)目標是T2T的CD≤15nm，LCDU≤3nm），以及中心距≤30nm的隨機通孔。0.33NA EUV光刻需要3-4個掩模才能完成這些特征的圖案化，而0.55NA EUV光刻只需一次曝光即可完成，實驗已證實這一點。Imec還可以克服實現(xiàn)良好T2T控制的挑戰(zhàn)：通過協(xié)同優(yōu)化光源、掩模（使用低n相移掩模）、光刻膠和刻蝕工藝（使用定向刻蝕技術），可以實現(xiàn)13nm T2T結構低于3nm的目標LCDU。
DRAM路線圖：D1d和D0a位線周邊/存儲節(jié)點，著陸焊盤層的單次圖案化
高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術能夠省去復雜的多重曝光步驟，使其成為未來DRAM節(jié)點（例如32nm(D1d)和28nm(D0a)DRAM）發(fā)展路線圖的關鍵技術。對于這些節(jié)點，實驗已證實使用高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術對BLP/SNLP層（包含位線外圍和存儲節(jié)點焊盤的層）進行圖案化的可行性。0.33NA極紫外光刻技術至少需要三個掩模才能對這些BLP/SNLP層進行圖案化，而0.55NA極紫外光刻技術僅需一個掩模即可完成相同的任務。
設計靈活性
在2000年代中后期，先進邏輯芯片的設計在最關鍵的層中從二維電路布局轉向了一維曼哈頓布局。這種設計上的“代價”是為了擴展193nm浸沒式光刻技術的應用范圍，使其能夠實現(xiàn)更低k1值的單次曝光和多次曝光，從而為0.33NA EUV光刻技術的成熟做好準備。在二維雙向設計中，曼哈頓幾何結構用于在垂直和水平方向上形成電路。相比之下，一維或單向設計則僅在每一層中沿垂直或水平方向排列結構。盡管一維曼哈頓布局能夠提供高密度的表示，但它也存在一些局限性。例如，當需要將一條金屬線與相鄰的金屬線連接時，必須增加一層帶有通孔的結構——這不僅會增加晶圓成本，還會增加電流路徑的長度。
高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術帶來的分辨率飛躍，使1.5D和2D曼哈頓式設計得以重新應用，甚至能夠引入曲線幾何形狀和路徑。這不僅為芯片設計人員提供了更大的靈活性，從而提升功耗和性能，而且還有可能減少芯片面積或層數(shù)，進而降低成本。
高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術可實現(xiàn)二維設計的雙向布線
Imec及其合作伙伴演示了使用2D Manhattan設計對22nm和28nm間距線結構進行雙向布線。OPC優(yōu)化和掩模制作質量使得2D設計在蝕刻后能夠實現(xiàn)設計意圖與晶圓數(shù)據(jù)之間良好的圖案保真度。
與曲線設計技術的兼容性
此外，imec還開發(fā)了一種解決方案，用于在芯片設計階段引入更復雜的曲線幾何形狀，從而將曲線設計的應用范圍擴展到光刻和掩模階段之外。曲線設計已被證明對多種應用場景都有益，從標準單元設計到源/漏極接觸和柵極重新布線，再到布局布線設計。例如，在標準單元設計中，曲線設計可以在放寬M0間距的同時，實現(xiàn)20%的面積縮減。imec最近展示了曲線設計形狀與高數(shù)值孔徑EUV光刻技術的兼容性，從而能夠充分利用高數(shù)值孔徑EUV光刻技術在先進節(jié)點上帶來的分辨率提升。
結論
開發(fā)高數(shù)值孔徑（High-NA）專用光刻和圖案化技術需要采用整體方法，才能驗證其三大優(yōu)勢：相較于0.33NA EUV光刻技術，在分辨率和圖像對比度方面實現(xiàn)提升；通過單次圖案化簡化工藝；以及通過1.5D、2D和曲面設計實現(xiàn)設計靈活性。Imec及其合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)正不斷突破這些技術的極限，開發(fā)下一代高數(shù)值孔徑EUV光刻技術，為業(yè)界提供均衡的選擇。目前，研發(fā)工作正致力于解決諸如景深提升、隨機缺陷抑制和拼接技術等挑戰(zhàn)。
因此，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術將成為未來先進技術（例如先進人工智能芯片、高性能計算和下一代存儲器）的關鍵推動因素。它被視為滿足人工智能和數(shù)據(jù)中心應用需求的必要條件，因為這些應用需要硬件快速發(fā)展。該技術在實現(xiàn)《歐洲芯片法案》中關于推動2納米以下邏輯技術節(jié)點的目標方面也發(fā)揮著關鍵作用。
本文來自微信公眾號“半導體行業(yè)觀察”（ID：icbank），作者：imec，36氪經授權發(fā)布。
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