极紫外光微影(EUV)技术据称将在 5 纳米(nm)节点时出现随机缺陷。根据研究人员指出,目前他们正采取一系列的技术来消除这些缺陷,不过,截至目前为止,还没有找到有效的解决方案。
 
这项消息传出之际,正值格芯(Globalfoundries)、三星(Samsung)和台积电(TSMC)竞相为明年的 7nm 生产升级其 EUV 系统至具有高可用性的 250W 光源。如今,这些随机缺陷的出现显示,针对半导体制造日益增加的成本和复杂性,并不存在任何解决问题的灵丹妙药。
 
比利时 Imec 研究机构的图形专家 Greg McIntyre 在日前于美国加州举办的国际光学工程学会先进微影技术会议(SPIE Advanced Lithography)上表示,最新的 EUV 扫描器可以印制出代工厂为 7nm 所计划的 20nm 及更大尺寸之关键规格。然而,他们在制作精细线条和电洞的能力还不明确。
 
像 McIntyre 这样的乐观主义者认为,针对这种所谓的「随机效应」很快地就会出现一连串的解决方案。但一些怀疑论者则认为这样的结果只是多了一个让人更加质疑 EUV 系统的理由——价格昂贵且延迟已久的 EUV 系统是否真的能成为芯片制造商的主流工具?
 
英特尔(Intel)微影技术专家 Yan Borodovsky 预期,业界工程师应该能够使用 EUV 步进机进行 2-3 次曝光,打造出 5nm 或什至是 3nm 元件。但他在此次活动的主题演讲时也指出,随着芯片缺陷的不断上升,最终将迫使工程师们采用新的容错处理器架构,例如神经网路。
 
最近的缺陷突然出现在 15nm 左右的关键尺寸上,而这是针对 2020 年代工制程制造 5nm 芯片所需的技术节点。EUV 制造商 ASML 在去年的活动中提及,该公司正在准备可印制更精细几何尺寸的下一代 EUV 系统,但这些系统要到 2024 年之后才会推出。
 
Imec 研究人员指出,EUV 微影将在 5nm 时出现随机缺陷(来源:Imec)
 
随机缺陷有多种形式。有些是造成不完美的电洞;有些则是线状裂缝、或者是在两线和两电洞之间形成短路。由于这些缺陷尺寸过于微小,研究人员有时得花几天时间才能找到。
 
McIntyre 描述发现和消除错误时会遇到的挑战。例如,一些研究人员提出了衡量线条粗糙度的标准方法,这正是了解缺陷的关键之一。
 
另一个问题是,目前还不清楚光阻剂材料碰到 EUV 光源时会发生什么变化。McIntyre 指出,「现在还不知道有多少电子产生,以及会创造出什么化学物质……我们对于物理学还不是完全地了解,所以正在进行更多的实验。」他指出研究人员已经测试多达 350 种光阻剂和制程步骤的组合了。
 
良率在 7nm/5nm 备受关注
「制造业将会因为良率降低而受到重大的打击……如果我得为此负责,那么我要说是时候退休了,」一位退休的微影技术专家在有关 5nm 缺陷的讨论会上说道。
 
来自 Globalfoundries 的技术专家则在另一场专题演讲中发表更加乐观但相对理智的看法。Globalfoundries 研究副总裁 George Gomba 在回顾致力于 EUV 近 30 年的历程时说道:「这是一项艰巨的任务,而且接下来还有更多工作要做。」
 
当今的 NXE 3400 系统「不符合我们期望的一些发展蓝图要求,所以[在 7nm 时]仍然存在一些不确定性。如果不提高生产力和可用性,我们可能难以发挥 EUV 的最大价值。」
 
Gomba 指出,5nm 时的随机缺陷包括细微的 3D 断裂和撕裂,例如线条上的缺口等。他还呼吁在所谓光化系统上进行更多的工作,以便微影技术人员在采用光罩护膜覆盖之前检测 EUV 光罩。
 
「为了充份利用 EUV,我们将需要光化检测系统,尽管仍在开发中,但它可以辅助目前已经可用的电子束(e-beam)光罩检测系统。」
 
Globalfoundries 分享了对于何时以及如何导入 EUV 的看法。(深绿色框表示高数值孔径的 EUV 更受欢迎(来源:Globalfoundries)
 
Borodovsky 在采访中表示,另一个可能导致 5nm 缺陷的因素是现有的 EUV 光阻剂材料缺乏均匀度。此外,他还表示支持直接电子束写入,因为 EUV 使用的复杂相移光罩最终将膨胀至目前浸润式光罩价格的 8 倍。
 
由 Lam Research 创办人 David Lam 成立的公司 Multibeam 最近为其电子束技术获得了 3,500 万美元的政府资金。他希望在 2 年半内打造一套能应用于立基市场的商用系统,但适于大量生产的版本还需要更长的时间。
 
Imec 认为,下一代 EUV 可望在 2025 年以前投入商用
 
Borodovsky 表示,到了 2024 年,缺陷可能变得非常普遍,以至于传统的处理器将无法以先进制程制造。使用存储阵列与内建嵌入式运算元件的实验芯片可能具有更高的容错能力,例如 IBM 的 True North 芯片,以及惠普实验室(HP Labs)以忆阻器打造的成果。
 
Globalfoundries 回顾 EUV 发展历史
 
Globalfoundries 发言人概述近 30 年来 EUV 研发的重要里程碑( 来源:Globalfoundries)