Warum setzt man sich so hart für EUV-Lithografie ein?

Die letzten beiden Jahre waren ein wichtiges Kapitel in der Entwicklung der High-NA EUV-Lithografie. Mit der Auslieferung der ersten Systeme an Kunden und dem Start des High-NA EUV-Lithografie-Labors, das ASML und imec gemeinsam gegründet haben – was dem gesamten Ökosystem die Möglichkeit bietet, frühzeitig sein Potenzial zu erkunden – gewinnt diese Technologie nun echten Schwung. Derzeit zeigt die High-NA EUV-Lithografie ein enormes Potenzial und verspricht Fortschritte bei der Größeverkleinerung, Prozessvereinfachung und Designflexibilität.

Die Freisetzung dieser Fähigkeiten basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz, der gleichzeitig Materialien und Strukturierungsprozesse, Masken und Abbildungstechniken, Lithografieoptimierungstechniken (wie z. B. optische Nahfeldkorrektur (OPC)), Messtechnik und Detektion sowie Design optimiert. Dies ist das Ergebnis einer starken Zusammenarbeit im imec-ASML High-NA EUV-Ökosystem, das führende Chiphersteller, Anbieter von Geräten, Materialien und Fotolacken, Maskenhersteller sowie Messexperten umfasst.

Dieser Artikel untersucht die Schlüsselfaktoren hinter der High-NA EUV-Lithografie und hebt die Wendepunkte in der Entwicklung des Lithografie- und Strukturierungsökosystems hervor, die es ermöglicht haben, diese Technologie experimentell zu validieren.

Höhere Auflösung und Bildkontrast

Im Vergleich zur 0,33NA EUV-Lithografie bietet die 0,55NA EUV-Lithografie eine 67 % höhere numerische Apertur (NA) und verspricht somit eine höhere Auflösung.

Auflösung von Linien mit einem Abstand von nur 16 Nanometern: Weltrekord

Die Auflösung eines Lithographiesystems spiegelt die Fähigkeit des Geräts wider, bestimmte Abstände oder kritische Abmessungen (CD) von Strukturen zu drucken und aufzulösen. Die Rayleigh-Gleichung bietet drei Wege, die Auflösung zu verbessern: die Verwendung eines kleineren k1-Faktors, die Verwendung von Licht mit einer kürzeren Wellenlänge und die Erhöhung der numerischen Apertur (NA) der Projektionslinse des Systems. Der k1-Faktor hängt von vielen Faktoren ab, die mit dem Chip-Herstellungsprozess zusammenhängen. Um die Auflösung zu verbessern, wird er in der Regel so nah wie möglich an seine physikalische Grenze von 0,25 herangeführt. Die NA steuert die Menge des für die Abbildung verwendeten Lichts (genauer gesagt, die Anzahl der vom Objektiv erfassten Beugungsordnungen). Sowohl die Low-NA (0,33) als auch die High-NA (0,55) EUV-Lithografie verwenden Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 nm. Die High-NA EUV-Lithografie hat jedoch einen um 67 % höheren NA-Wert als die Low-NA EUV-Lithografie, was ihr einen deutlichen Vorteil bei der Auflösung verschafft und letztendlich die Auflösung von Linien mit einem Abstand von nur 16 nm (oder einer CD von 8 nm) ermöglicht.

Im Jahr 2024 hat imec im ASML-imec High-NA EUV-Lithografie-Labor mit einem 0,55NA EUV-Lithographiescanner (TWINSCAN EXE:5000) ein Weltrekord geschaffen, indem es Linien und Zwischenräume mit einem Abstand von 16 nm in einem einzigen Druckvorgang erzeugt hat. Diese Bilder wurden auf einem Metalloxid-Fotolack (MOR) gedruckt, der speziell für die High-NA EUV-Lithografie optimiert ist. Ebenso haben Kontaktlöcher (gedruckt auf einem chemisch verstärkten Fotolack (CAR)) und Säulenstrukturen (gedruckt auf MOR) eine beeindruckende Auflösung von 24 nm Abstand (Mittenabstand) gezeigt.

Allerdings ist die endgültige Auflösung nur ein „optisches“ Versprechen, das die Qualität des Luftbildes vor der Bestrahlung des Wafers widerspiegelt. Beim Belichten des Wafers wird das Luftbild im Fotolack strukturiert, und diese Strukturen werden nach der Entwicklung weiter in das darunter liegende Material geätzt. Daher hängt die Auflösung der endgültigen strukturierten Strukturen auch von den im Strukturierungsprozess verwendeten Materialien (Fotolack, Unterlage, Hartmaske usw.) und der Leistung des Ätzprozesses ab. Prozessbeschränkungen können auch die Ausbeute der endgültigen Strukturen auf 300-mm-Wafern beeinflussen.

Daher wird die Auflösungsgrenze für industrierelevante strukturierten Strukturen in der High-NA EUV-Lithografie größer als 16 nm Abstand sein. Fortschrittliche Forschung und Entwicklung von Lithografiematerialien, insbesondere die Entwicklung neuer Materialien und der Magnetolithografie (MOR), sind von entscheidender Bedeutung, um die Auflösung der Strukturierungstechnologie so nah wie möglich an die theoretische Grenze der High-NA EUV-Lithografie zu bringen.

Im Jahr 2025 hat imec metallisierte Linienstrukturen mit einem Abstand von 20 nm gezeigt, die für den industriellen Damaszener-Metallisierungsprozess geeignet sind. Darüber hinaus wurden Ruthenium-Linien mit Abständen von 20 nm und 18 nm gezeigt, die mit einem direkten Metallätzverfahren (DME) erhalten wurden. Diese extrem hohe Auflösung wurde durch einen ganzheitlichen Ansatz erreicht, der die kooperative Optimierung von optischer Nahfeldkorrektur (OPC)-Technik, Photomaske, Fotolack, Unterlage, Ätzprozess und Materialien umfasst.

Prozessvereinfachung

Die Chipindustrie könnte argumentieren, dass auch Strukturen mit einer Größe von 20 nm mit der Low-NA (niedriger numerischer Apertur) EUV-Lithografie strukturiert werden können. Dies stimmt, jedoch nur durch komplexe Mehrfachbelichtungsschritte. Dies beinhaltet die Aufteilung des Chipmusters in zwei oder mehr „einfachere“ Masken, was die Herstellungszeit verlängert, die Ausbeute verringert, die CO2-Emissionen erhöht und die Kosten steigt. Die High-NA EUV-Lithografie bietet hingegen eine höhere Auflösung, die die Notwendigkeit von Mehrfachbelichtungen verringert und es ermöglicht, die kleinsten Chipstrukturen in einem einzigen Belichtungsschritt zu drucken.

Logik-Roadmap: Einfache Strukturierung der kritischen Metallschichten von Logik-A14 und -A10

Für die A14- und A10-Logikknoten sind die Anforderungen an die kritischsten Metallschichten (d. h. M0 und M2) sehr hoch: Linien/Abstände ≤ 20 nm, dichte End-zu-End-(T2T)-Strukturen zur Unterbrechung von Linien (das Branchenziel ist eine CD von T2T ≤ 15 nm und eine LCDU ≤ 3 nm) sowie zufällige Durchkontaktierungen mit einem Mittenabstand ≤ 30 nm. Die 0,33NA EUV-Lithografie benötigt 3 - 4 Masken, um diese Strukturen zu strukturieren, während die 0,55NA EUV-Lithografie dies mit nur einer Belichtung erreichen kann, wie Experimente bestätigt haben. Imec kann auch die Herausforderungen bei der Erzielung einer guten T2T-Kontrolle meistern: Durch die kooperative Optimierung von Lichtquelle, Maske (unter Verwendung einer Phasenverschiebungsmaske mit niedrigem n), Fotolack und Ätzprozess (unter Verwendung von gerichtetem Ätzen) kann eine LCDU von unter 3 nm für 13-nm-T2T-Strukturen erreicht werden.

DRAM-Roadmap: Einfache Strukturierung der BLP/SNLP-Schichten und der Landepadschichten für D1d- und D0a-DRAMs

Die High-NA EUV-Lithografie kann komplexe Mehrfachbelichtungsschritte einsparen und ist daher eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Entwicklung von DRAM-Knoten (z. B. 32-nm-(D1d) und 28-nm-(D0a)-DRAMs). Für diese Knoten wurde die Machbarkeit der Strukturierung der BLP/SNLP-Schichten (Schichten, die die Bitlinienperipherie und die Speicherknotenpads enthalten) mit der High-NA EUV-Lithografie experimentell bestätigt. Die 0,33NA EUV-Lithografie benötigt mindestens drei Masken, um diese BLP/SNLP-Schichten zu strukturieren, während die 0,55NA EUV-Lithografie dies mit nur einer Maske erreichen kann.

Designflexibilität

Spät in den 2000er Jahren wechselte das Design von fortschrittlichen Logikchips in den kritischsten Schichten von einer zweidimensionalen Schaltungsanordnung zu einer eindimensionalen Manhattan-Anordnung. Dieser „Kompromiss“ im Design war notwendig, um die Anwendbarkeit der 193-nm-Tauchlithografie zu erweitern und so Einfach- und Mehrfachbelichtungen mit niedrigeren k1-Werten zu ermöglichen, um die 0,33NA EUV-Lithografie vorzubereiten. In einer zweidimensionalen bidirektionalen Anordnung werden die Schaltungen in vertikaler und horizontaler Richtung mit Manhattan-Geometrien gebildet. Im Gegensatz dazu werden in einer eindimensionalen oder unidirektionalen Anordnung die Strukturen nur in vertikaler oder horizontaler Richtung in jeder Schicht angeordnet. Obwohl die eindimensionale Manhattan-Anordnung eine hohe Dichte ermöglicht, hat sie auch einige Einschränkungen. Beispielsweise muss, wenn eine Metallleitung mit einer benachbarten Metallleitung verbunden werden soll, eine zusätzliche Schicht mit Durchkontaktierungen hinzugefügt werden – was nicht nur die Kosten für den Wafer erhöht, sondern auch die Länge des Strompfads verlängert.

Der Sprung in der Auflösung, den die High-NA EUV-Lithografie mit sich bringt, ermöglicht die Wiederaufnahme von 1,5D- und 2D-Manhattan-Designs und sogar die Einführung von Kurvengeometrien und -pfaden. Dies bietet Chipdesignern nicht nur mehr Flexibilität, um Leistung und Stromverbrauch zu verbessern, sondern kann auch die Chipfläche oder die Anzahl der Schichten verringern und somit die Kosten senken.

Zweidirektionale Verdrahtung mit 2D-Design durch High-NA EUV-Lithografie

Imec und seine Partner haben die zweidirektionale Verdrahtung von Linienstrukturen mit Abständen von 22 nm und 28 nm unter Verwendung eines 2D-Manhattan-Designs demonstriert. Die OPC-Optimierung und die Qualität der Maskenherstellung haben es ermöglicht, dass das 2D-Design nach dem Ätzen eine gute Musterfidelity zwischen Designabsicht und Waferdaten aufweist.

Kompatibilität mit Kurven-Design-Techniken

Darüber hinaus hat imec eine Lösung entwickelt, um komplexere Kurvengeometrien bereits in der Chipdesignphase einzuführen und so die Anwendbarkeit von Kurven-Designs über die Lithografie- und Maskenphase hinaus zu erweitern. Kurven-Designs haben sich für verschiedene Anwendungen als vorteilhaft erwiesen, von Standardzellendesigns über Source/Drain-Kontakte und Gate-Verdrahtungen bis hin zu Layout- und Verdrahtungsdesigns. Beispielsweise kann in Standardzellendesigns ein Kurven-Design eine 20 %-ige Flächenreduktion bei gleichzeitiger Erweiterung des M0-Abstands ermöglichen. Imec hat kürzlich die Kompatibilität von Kurven-Designformen mit der High-NA EUV-Lithografie gezeigt, um so das Potenzial der Auflösungssteigerung, die die High-NA EUV-Lithografie in fortschrittlichen Knoten bietet, voll auszunutzen.

Zusammenfassung

Die Entwicklung von High-NA-spezifischen Lithografie- und Strukturierungstechniken erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, um ihre drei Hauptvorteile zu validieren: eine Verbesserung der Auflösung und des Bildkontrasts im Vergleich zur 0,33NA EUV-Lithografie, die Prozessvereinfachung durch einfache Strukturierung und die Designflexibilität durch 1,5D-, 2D- und Kurven-Designs. Imec und sein Partner-Ökosystem brechen ständig die Grenzen dieser Techniken und entwickeln die nächste Generation von High-NA EUV-Lithografie, um der Branche ausgewogene Optionen anzubieten. Derzeit konzentriert sich die Forschung und Entwicklung auf die Bewältigung von Herausforderungen wie der Verbesserung der Tiefenschärfe, der Unterdrückung von Zufallsfehlern und der Stitching-Technologie.

Daher wird die High-NA EUV-Lithografie ein Schlüsselfaktor für zukünftige fortschrittliche Technologien (z. B. fortschrittliche KI-Chips, Hochleistungsrechner und die nächste Generation von Speichern) sein. Sie wird als notwendige Voraussetzung angesehen, um die Anforderungen von K