高數值孔徑EUV的可能拼接解決方案

光掩模上的曲線形狀（curvilinear shapes）的轉變多年來一直被認為是提高良率、降低缺陷率和減少芯片上浪費空間的一種方式，現在正在獲得越來越多的支持——所有這些對于半導體的持續微縮和提高可靠性都至關重要。

在今年的 SPIE 光掩模技術 + EUV 光刻會議上，人們對這種方法表現出了濃厚的興趣。簡而言之，曲線形狀（curvilinear shapes）是對特征的更準確表示，這些特征將被印刷在掩模上并最終蝕刻到晶圓上，從而使這些特征之間的間距更緊密。如果整個行業都支持這種做法，影響可能會很大。但這種規模的任何舉措都會帶來挑戰，特別是當它適用于大批量制造時，而且這種轉變并非易事。此外，即使有廣泛的支持，也需要數年時間才能完全實現其好處。

西門子 EDA的 Calibre 半導體解決方案副總裁 Steffen Schulze 表示：“Curvilinear 已經存在很長一段時間了?！?“該技術已經有一些演示，例如內存公司在高重復率的高密度陣列中使用它，但它始終受到制造框架的約束?，F在，采用曲線幾乎就像大壩已經決堤一樣?！?/p>

人們對其潛力肯定更加樂觀?！皫资陙?，人們一直在談論曲線光罩，”Fractilia 首席執行官 Chris Mack 說道?！暗@種成本效益比一直存在，而且成本大于收益?，F在，幾個關鍵推動因素已經改變了成本效益比，曲線掩模實際上可能是實用的?！?/p>

這些推動因素之一是采用多光束掩模寫入器（multi-beam mask writers）。從歷史上看，掩模寫入依賴于單束電子束光刻，這對于創建復雜圖案來說非常耗時且效率較低。然而，隨著對復雜設計和更小節點的需求不斷增長，對更快、更精確的掩模寫入的需求變得越來越明顯。這些工具于 2010 年代初推出，允許同時寫入多個圖案，大大減少寫入時間并能夠創建更復雜的設計，從而徹底改變了掩模生產。

“多光束掩模寫入器已經存在好幾年了，” D2S董事長兼首席執行官 Aki Fujimura 說道?！艾F在，尤其是對于 EUV，掩模幾乎總是 100% 由多光束掩模寫入器寫入。曲線形狀不會帶來額外的損失，因為曲線掩模不需要額外的時間來生產?！?/p>

這使得曲線采用的情況變得更加簡單?！霸撔袠I已經轉向曲線，” Synopsys高級產品營銷經理 Travis Brist 表示?！皵祿恳恢笔且粋€障礙，這有點‘正在進行中’，而掩碼寫入器也是一個障礙。但多光束掩模寫入器開始出現，并且您開始看到它們的更多用途?！?/p>

該設備的性能得到了顯著提高?！霸诶鲜降难谀懭胫?，我們一次寫入一個像素，”Mack補充道?！皩τ谇€掩模，你必須有更小的像素尺寸和更小的地址尺寸，這將大大增加寫入時間，從而增加掩模的成本。但在過去的十年中，我們看到多光束掩模寫入器變得可用并流行?，F在，他們可以以與寫入曼哈頓幾何掩模相同的速度寫入曲線掩模，而且精度也很高?！?/p>

圖 1：英特爾的 Frank Abboud 在 SPIE 上討論曲線掩模挑戰

曲線掩膜的另一個關鍵推動因素是用于表示曲線特征的“多邊形”（multigon）格式。多邊形（單一幾何圖形中的多邊形集合）專門為表示曲線特征而設計，可確保數據量保持可管理性，盡管這些設計具有復雜性。

IMEC 高級圖案化項目主任 Kurt Ronse 表示：“逆向光刻技術或曲線光刻技術已于 10 多年前誕生?！?“問題是它們是光罩上的隨機圖案，有時是非常小的圖案和更大的圖案以及各種方向，所以沒有人能夠制作這樣的面具。另外，沒有方法可以存儲您以標準數據格式計算的圖像。數據變得太大，面具店無法將其加載到寫入器中?！?/p>

這是曲線形狀的挑戰之一。直線可以由兩個點定義，但曲線需要沿著曲線的許多點才能獲得準確的表示，如果有很多起伏，則需要很多點。這種設計的數據量將是巨大的。

這就是多邊形格式發揮作用的地方。多邊形格式不是僅僅依賴分段線性表示，而是引入了表示曲線多邊形的方法，例如二次貝塞爾曲線擬合或樣條擬合。這些方法可以用更少的數據點捕獲曲線形狀的本質，從而可能減少文件大小并提高數據處理效率。

“三次樣條（Cubic splines）是人們最常見的多邊形，因為它們非常靈活，”Mack說?！皩⒁恍┤螛訔l放在一起，您就可以用更少的數字來描述一個相當復雜的形狀。但這是一項標準化工作，需要整個行業合作才能實現這一目標。這項工作正在進行中。完成后將會非常有幫助?！?/p>

即使過渡到這種格式也很復雜?！俺诉@些曲線特征之外，曲線還帶來了更多的數據量和復雜性，”Synopsys 的 Brist 說?！耙虼?，我們將多邊形格式視為一種不同的方式來表示 GDS 文件中的數據，以減少體積，并使用人工智能和機器學習等技術來處理數據的復雜性并加快部署速度?！?/p>

針對曼哈頓結構優化的現有工具和流程可能會產生不準確的曲線形狀結果。這就需要開發新的工具、算法和檢查來有效處理復雜的曲線設計。

“你可以想象，現在有了這些彎曲特征，用于觀察曼哈頓結構并在曼哈頓特征之間進行測量的東西不再適用于彎曲特征，”Brist補充道?！耙虼?，您確實必須創建新類型的檢查，以便識別這些功能，而不會識別誤報或遺漏的內容。這成為一個新的挑戰?！?/p>

檢查缺陷

掩模規則檢查 (MRC) 長期以來一直是半導體設計和制造的基石。這些規則確保光掩模圖案是可制造的，并且它們忠實地再現硅晶片上的預期特征而沒有缺陷。從歷史上看，MRC 是為曼哈頓（直線）結構量身定制的，其特點是直角和簡單的設計。然而，隨著行業轉向曲線或非曼哈頓特征，傳統 MRC 的局限性變得明顯。這些傳統檢查難以有效處理彎曲特征的細微差別，從而導致潛在的不準確、誤報或被忽視的細節。

“曼哈頓世界中的掩模規則檢查已經有了相當明確的定義，但我們正在與客戶合作，以確定與曲線數據表示相關的新掩模規則，”西門子 EDA 掩模和平臺解決方案總監 Stephen Kim 說道?！拔也徽J為這些規則已經解決，但隨著它們的出現，它們將鞏固約定，希望很多人都可以使用?！?/p>

這種方法的好處早已為人所知?！笆褂寐D蒙版，您實際上會受到 MRC 約束，無法將事物添加到一起，”Brist 補充道?！爱斈阌兴膫€ 90° 邊緣時，你很快就會遇到這些限制，并且你可以看到那里的印刷觸點是如何受到損害的?！?（見圖2）?！叭绻憧梢赃M入曲線狀態，那么現在你仍然滿足 MRC 約束。但因為它是彎曲的，所以實際上你可以在那里獲得更多的覆蓋范圍，并且你可以打印更接近目標的東西。我們看到更嚴格的 CD 控制、更少的 CD 變異性、更低的 MEEF——所有這些優點?！?（掩模誤差增強因子，或 MEEF，是晶圓上圖案化光刻膠的 CD 相對于掩模臨界尺寸的比率。）

圖 2：曼哈頓掩模比曲線掩模更受 MRC 約束的限制。

高數值孔徑 EUV 的可能拼接解決方案

采用曲線掩模的另一個挑戰是需要將兩個掩?？p合在一起以在晶圓上形成完整的圖像。對于高數值孔徑 EUV，半場掩模的拼接誤差是一個主要問題。

想象一下，在田野上畫一條線，無意中留下了微小的碎片或“碎片”。然后，這些微小的特征需要在后續掩模上表現出來。與其直接穿過田地，稍微調整線以將這些條帶包含在主多邊形內可能更具策略性。這種方法簡化了任務，使拼圖的各個部分更加協調，但需要人工智能/機器學習來處理計算。

“高數值孔徑的拼接挑戰是眾所周知的，”imec 的 Ronse 說?！案邤抵悼讖降娜绿攸c之一是鏡頭的變形特性，它限制了晶圓上打印區域的尺寸。該設計掩模上的放大倍數在一個方向上是 8 倍，而不是兩倍 4 倍。另一個方向仍然是4X。使用六英寸掩模，您只能曝光晶圓上一半的區域尺寸。如果您的芯片類似于典型的 33 x 26，則只能掃描 15 或 16 毫米，然后您需要另一個掩模來對芯片的另一面進行成像。當然，它們必須配合在一起。這是一個大問題。從來沒有人這樣做過?！?/p>

幾家主要芯片制造公司最近提出了一種非正統的解決方案來解決高數值孔徑的拼接問題?；舅枷胧菍⒌湫偷?6 x 6 英寸掩模版尺寸加倍為 6 x 12 英寸掩模，這樣可以在高數值孔徑掃描儀上一次性對整個芯片進行成像，并避免拼接的挑戰。但光掩模的嘎吱聲如何發生如此重大的改變并不容易。

“掩膜制造商基本上需要對更大的Blank進行書寫、清潔和編碼，而且它們必須更厚，以避免任何下垂，”Ronse 說?！八鼈儠氐枚??！?/p>

光罩公司是否會采取這種做法仍不得而知。西門子的舒爾茨表示：“人們對此持懷疑態度，也不知道該行業是否已準備好應對這一問題?！?“但共識似乎是，這更多的是一個工程問題，而不是一個科學問題。如果人們決定走這條路，那么需要幾年的時間才能到達那里?！?/p>

這就是當今行業的現狀?！盎旧?，他們所說的是，如果整個行業在今年年底前協調一致，他們將開始開發它，”imec 的 Ronse 說?！叭绻袠I不協調，那么他們當然不會這樣做，因為這將是一項昂貴的工作。但最重要的是你可以避免縫合。其次，吞吐量至少會提高 50%，這樣基本上就降低了成本?！?/p>

但也存在抵消因素。西門子的 Kim 補充道：“肯定會考慮到這種新光罩尺寸的重量?！彼赋?，這需要一些標準化規格?！斑@為行業提供了一些需要考慮的東西，以及可以預見的問題，以便一旦我們有了這樣的規格，就可以進行討論?！?/p>

即使大家都同意，實施起來也需要時間?！癧開發]使用一組新基板處理更大掩模所需的新設備可能需要五年的開發時間，”舒爾茨補充道?！斑@意味著我們必須同時集中精力解決拼接問題?！?/p>

較小節點處的曲線掩模

與最初為前沿設計的其他技術一樣，最終會滲透到流程中的其他區域，曲線掩模寫入也可能會遷移到較舊的工藝。隨著技術的成熟以及晶圓廠獲得更好的曲線模型和工藝配方，曲線沒有理由不用于較舊的工藝節點。

“這取決于收益是否值得額外成本，”Fractilia 的 Mack 說?！叭绻腥讼Ｍ?EUV 中使用曲線掩模，那可能是因為 EUV 層證明支付更高的成本是合理的?？赡苡?193 層也證明支付成本是合理的，并且成本可能會隨著使用而下降 - 在這種情況下，超過 193 層可能值得使用曲線掩模。也就是說，沒有人會返回并更改已經運行的流程，但每個新節點仍然包含大量 193 層?！?/p>

規模經濟在某個時候就會發揮作用?！耙坏┣€變得更加可用，也許隨著生成這些掩模的成本下降，您將看到曲線不僅在 EUV 和高數值孔徑中使用，”Brist 說?！八鼘⑦\行在以前僅限于曼哈頓風格功能的舊技術上。公司可以通過利用這些曲線掩模來延長現有工具的使用壽命，而不是在舊節點上運行多重圖案，或者甚至嘗試獲得新工具?！?/p>

這反過來又為儲蓄創造了更長的尾巴?！半S著行業的成熟，隨著這項技術的成熟，由于電壓和電流方面的優勢、通孔數量的減少和成本的降低，它似乎可能會激增?！?舒爾茨補充道。

曲線的剩余挑戰

在曲線進入主流制造之前，還有另外兩個重大挑戰需要克服。一是缺乏現有的模型和歷史來進行精確計算。

“經驗對我們的行業非常重要，”麥克說?！拔覀冋谟脴O其復雜的工藝制造極其復雜的設備，我們依靠我們的歷史來了解什么有效、什么無效。增量變化更容易處理，因為我們可以利用我們的制造歷史來了解要注意什么和要忽略什么。但使用曲線掩模是一個足夠大的改變，需要大量學習來克服我們缺乏經驗的問題?！?/p>

這種轉變需要時間、努力和廣泛的行業承諾?！巴ㄟ^曼哈頓設計，我們擁有了豐富的數據庫，可以利用豐富的經驗和知識，”D2S 的 Fujimura 說道?！安柯渲R隨著時間的推移而積累，但我們不知道曲線的知識。對于 CD 來說，業界已經確立了這一點：都是一樣的。因此，當你有這些數字可供比較時，人們就會知道這是一個有意義的比較。雖然這對曲線造成了技術障礙，但它并不是“你能做到嗎？” 更多的是，‘慣例是什么？’”

曲線掩模的另一大挑戰是檢查。傳統的檢查工具針對曼哈頓設計進行了優化，其特點是簡單的直角結構。使用曲線掩模，復雜性呈指數級增加。這些掩模上復雜多樣的圖案使得傳統工具難以快速準確地識別缺陷。此外，與曲線設計相關的大量數據可能會壓垮這些工具，導致檢查時間更長和潛在的疏忽。隨著行業傾向于曲線掩模，迫切需要開發先進的檢測方法，以有效處理這些設計的細微差別，同時確保最高水平的準確性和精確度。

“目前，障礙是檢查，”imec 的 Ronse 說?！叭绻阌幸粋€曲線掩膜，你必須檢查它，看看一切是否正確或是否存在缺陷。但檢測工具無法檢測整個板材，因為數據太多?，F在，檢查工具正在準備接受這種新的曲線數據格式，但這可能仍然是當今最大的問題?！?/p>

曲線掩模檢測

本質上有兩種檢測范例。一種是芯片與芯片之間的比較。典型的掩模上有多個芯片，檢查它們的一種非常簡單的方法是將一個芯片與下一個芯片進行比較。高分辨率相機查看一個區域的圖片，查看不同芯片上同一區域的圖片并比較差異。任何差異都可能代表缺陷，因為所有圖像都應該相同。

總是存在重復缺陷的可能性，因為每個芯片都可能具有相同的缺陷。這可能是由設計數據中的缺陷引起的。盡管如此，這些案例還是不尋常的。通常，它是隨機缺陷或源于在掩模上制作特定特征的能力的缺陷。大多數時候，所有缺陷都可以通過芯片間檢查來識別。

然而，在某些情況下，每個掩模只有一個芯片，或者在曲線設計的情況下，每個掩模有半個芯片。十個芯片之間的比較是不可能的。相反，您使用芯片到數據庫檢查，其中您擁有設計數據應該是什么樣子的數據庫，并且您擁有實際的掩模，然后工程師進行比較。與芯片到芯片的比較相比，芯片到數據庫的比較要復雜得多，而且計算量很大。

“目前，存在三種潛在的檢查解決方案，有傳統的芯片對芯片檢查。然后是光化，它使用與光刻過程中使用的相同波長的光進行檢查。然后是電子束檢查，可以有兩種形式。一是他們對口罩進行電子束檢查?；蛘咚麄兛梢詫τ∮醒谀５木A進行電子束檢查。在某些方面，潛在技術太多，行業的焦點和資金可能會被稀釋?！?/p>

結論

曲線掩膜的時代已經到來。下一步是將其引入 HVM，但這帶來了整個行業必須積極應對的許多挑戰。從多光束掩模寫入器到多邊形方程以及更大掩模版的可能性，制造、計算以及改變光掩模的創建和使用方式的過程正在發生變化。

在最近的一次演講中，英特爾掩模操作和晶圓廠計量技術開發副總裁 Frank Abboud 稱曲線“美麗”?！八袃r值。它對波形有價值。它對 OPC 引擎有價值。它具有很大的價值，我們需要讓它成為現實?！?/p>

編輯：黃飛