極紫外光微影(EUV)技術據稱將在5奈米(nm)節點時出現隨機缺陷。根據研究人員指出,目前他們正採取一系列的技術來消除這些缺陷,不過,截至目前為止,還沒有找到有效的解決方案。

這項消息傳出之際,正值格芯(Globalfoundries)、三星(Samsung)和台積電(TSMC)競相為明年的7nm生產升級其EUV系統至具有高可用性的250W光源。如今,這些隨機缺陷的出現顯示,針對半導體製造日益增加的成本和複雜性,並不存在任何解決問題的靈丹妙藥。

比利時Imec研究機構的圖形專家Greg McIntyre在日前於美國加州舉辦的國際光學工程學會先進微影技術會議(SPIE Advanced Lithography)上表示,最新的EUV掃描器可以印製出代工廠為7nm所計劃的20nm及更大尺寸之關鍵規格。然而,他們在製作精細線條和電洞的能力還不明確。

像McIntyre這樣的樂觀主義者認為,針對這種所謂的「隨機效應」很快地就會出現一連串的解決方案。但一些懷疑論者則認為這樣的結果只是多了一個讓人更加質疑EUV系統的理由——價格昂貴且延遲已久的EUV系統是否真的能成為晶片製造商的主流工具?

前英特爾(Intel)微影技術專家Yan Borodovsky預期,業界工程師應該能夠使用EUV步進機進行2-3次曝光,打造出5nm或甚至是3nm元件。但他在此次活動的主題演講時也指出,隨著晶片缺陷的不斷上升,最終將迫使工程師們採用新的容錯處理器架構,例如神經網路。

最近的缺陷突然出現在15nm左右的關鍵尺寸上,而這是針對2020年代工製程製造5nm晶片所需的技術節點。EUV製造商ASML在去年的活動中提及,該公司正在準備可印製更精細幾何尺寸的下一代EUV系統,但這些系統要到2024年之後才會推出。

20180409_EUV_NT31P1 Imec研究人員指出,EUV微影將在5nm時出現隨機缺陷(來源:Imec)

隨機缺陷有多種形式。有些是造成不完美的電洞;有些則是線狀裂縫、或者是在兩線和兩電洞之間形成短路。由於這些缺陷尺寸過於微小,研究人員有時得花幾天時間才能找到。

McIntyre描述發現和消除錯誤時會遇到的挑戰。例如,一些研究人員提出了衡量線條粗糙度的標準方法,這正是瞭解缺陷的關鍵之一。

另一個問題是,目前還不清楚光阻劑材料碰到EUV光源時會發生什麼變化。McIntyre指出,「現在還不知道有多少電子產生,以及會創造出什麼化學物質……我們對於物理學還不是完全地瞭解,所以正在進行更多的實驗。」他指出研究人員已經測試多達350種光阻劑和製程步驟的組合了。

良率在7nm/5nm備受關注

「製造業將會因為良率降低而受到重大的打擊……如果我得為此負責,那麼我要說是時候退休了,」一位退休的微影技術專家在有關5nm缺陷的討論會上說道。

來自Globalfoundries的技術專家則在另一場專題演講中發表更加樂觀但相對理智的看法。Globalfoundries研究副總裁George Gomba在回顧致力於EUV近30年的歷程時說道:「這是一項艱鉅的任務,而且接下來還有更多工作要做。」

當今的NXE 3400系統「不符合我們期望的一些發展藍圖要求,所以[在7nm時]仍然存在一些不確定性。如果不提高生產力和可用性,我們可能難以發揮EUV的最大價值。」

Gomba指出,5nm時的隨機缺陷包括細微的3D斷裂和撕裂,例如線條上的缺口等。他還呼籲在所謂光化系統上進行更多的工作,以便微影技術人員在採用光罩護膜覆蓋之前檢測EUV光罩。

「為了充份利用EUV,我們將需要光化檢測系統,儘管仍在開發中,但它可以輔助目前已經可用的電子束(e-beam)光罩檢測系統。」

20180409_EUV_NT31P2 Globalfoundries分享了對於何時以及如何導入EUV的看法。(深綠色框表示高數值孔徑的EUV更受歡迎(來源:Globalfoundries)

Borodovsky在採訪中表示,另一個可能導致5nm缺陷的因素是現有的EUV光阻劑材料缺乏均勻度。此外,他還表示支持直接電子束寫入,因為EUV使用的複雜相移光罩最終將膨脹至目前浸潤式光罩價格的8倍。

由Lam Research創辦人David Lam成立的公司Multibeam最近為其電子束技術獲得了3,500萬美元的政府資金。他希望在2年半內打造一套能應用於立基市場的商用系統,但適於大量生產的版本還需要更長的時間。

20180409_EUV_NT31P3 Imec認為,下一代EUV可望在2025年以前投入商用

Borodovsky表示,到了2024年,缺陷可能變得非常普遍,以至於傳統的處理器將無法以先進製程製造。使用記憶體陣列與內建嵌入式運算元件的實驗晶片可能具有更高的容錯能力,例如IBM的True North晶片,以及惠普實驗室(HP Labs)以憶阻器打造的成果。

20180409_EUV_NT31P5 Globalfoundries回顧EUV發展歷史

20180409_EUV_NT31P4 Globalfoundries發言人概述近30年來EUV研發的重要里程碑( 來源:Globalfoundries)

(參考原文:EUV Defects Cited in 5-nm Node,by Rick Merritt)