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淺談下一代EUV光刻機(jī)

2021-09-23
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: ASML 英特爾 光刻機(jī)

  自從英特爾將焦點(diǎn)放在其從 ASML接收第一個(gè) 0.55 NA EUV 光刻機(jī)以來,,High-NA EUV 就受到了很多關(guān)注,而第一臺(tái)High NA設(shè)備也有望于2025年到來,。但眾所周知的是,,新一代光刻機(jī)有隨機(jī)缺陷問題,。還有許多與 EUV 光在 3D 中通過掩模拓?fù)鋫鞑ハ嚓P(guān)的問題,其中陰影是對(duì)這種現(xiàn)象的最簡單描述,。

  一位 EDA 供應(yīng)商已經(jīng)披露,,事實(shí)上,EUV 正在使用多團(tuán)進(jìn)行實(shí)踐,,這違背了它最初的意圖,。因此,隨著High NA EUV的進(jìn)入,,單一圖案EUV的前景使其成為一個(gè)非常有吸引力的選擇,。與當(dāng)前的 EUV 系統(tǒng)相比,我們可以期待高 NA EUV 系統(tǒng)有哪些變化,?

  高數(shù)值孔徑的改進(jìn)

  High NA 將數(shù)值孔徑 (NA) 從當(dāng)前值 0.33 增加到 0.55,。第一個(gè)好處是這將最小光斑尺寸減小到其當(dāng)前值的 60%。標(biāo)稱值由瑞利準(zhǔn)則給出,,即 0.61*標(biāo)稱波長 (=13.5 nm)/NA,,其中 0.33 NA 為 25 nm,0.55 NA 為 15 nm,。這當(dāng)然有助于提供更清晰的圖像,,即空間中聚焦點(diǎn)的經(jīng)典投影圖像。實(shí)際上,,由于光子數(shù)量有限,,并且被電子和光刻膠中的化學(xué)物質(zhì)模糊,圖像噪聲更大,。

  高數(shù)值孔徑系統(tǒng)的第二個(gè)好處是增加了 Y 方向的縮?。◤?4X 到 8X),。這具有減少角度擴(kuò)展的效果。保持原來的 4X 會(huì)導(dǎo)致角度范圍過大,。這有助于減少通過前面提到的掩碼的 3D 傳播的影響,。此外,由于X-縮小是相同的,,通過狹縫的入射平面的方位角旋轉(zhuǎn)范圍也減小,。掩模上的照明正弦比 (kx/4)/(ky/8) = 2 kx/ky 減半為晶圓上的 kx/ky,而對(duì)于當(dāng)前的成像系統(tǒng),,相同的比率 (kx/4)/(ky /4) 在掩膜上保留為晶圓上的 kx/ky,。因此,這提高了通過狹縫的照明一致性,。

  High-NA 的并發(fā)癥/權(quán)衡

  轉(zhuǎn)向更高的 NA 存在三個(gè)問題,。第一個(gè)應(yīng)該為從業(yè)人士所熟知,因?yàn)樗墙股畹臏p少,。雖然 0.33 NA 13.5 nm 波長提供 120 nm 的焦深,,但將 NA 增加到 0.55 會(huì)將焦深降低到 41 nm 的三分之一。

  第二個(gè)問題是 8 倍 Y 縮小的結(jié)果,。由于 EUV 掩模 104 毫米 x 132 毫米的場大小沒有變化,,硅片上的掃描場必須從 26 毫米 x 33 毫米減半(在 Y 方向)到 26 毫米 x 16.5 毫米。如果芯片圖案最初占據(jù)了 26 毫米 x 33 毫米區(qū)域的一半以上(通常情況下,,即使是 3 x 3 裸片,,例如),,它會(huì)在中途被切碎,,導(dǎo)致需要將兩個(gè)部分縫合在一起兩個(gè)mask的曝光。因此,,雙曝光圖案可能會(huì)蔓延,,破壞單圖案場景。

  第三個(gè)問題絕對(duì)是一個(gè)問題,,因?yàn)樵谝郧暗墓饪滔到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該不惜一切代價(jià)避免它,。

  在高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)中使用更大的鏡子導(dǎo)致了不可避免的遮擋,其中一個(gè)鏡子無法避免阻擋另一個(gè),。這具有基本的光學(xué)后果,,尤其是在較低空間頻率下的調(diào)制減少 。在某些情況下,,影響可能非常劇烈,。在下面的交錯(cuò) 40 nm x 70 nm 陣列示例中,衍射級(jí)之一被 0.55 NA 系統(tǒng)的瞳孔中的中心遮光物所阻礙,。

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  在這個(gè)例子中,,它會(huì)導(dǎo)致 y 方向的空間頻率加倍,,這是一個(gè)基本的成像誤差。y 方向上的基本空間頻率的所需調(diào)制在該模式應(yīng)該保留時(shí)被消除,。由于瞳孔的大部分被禁止照明區(qū)域(以粉紅色顯示)覆蓋,,因此這很難與通常需要更靈活照明的其他圖案相結(jié)合。對(duì)于相同交錯(cuò)陣列模式的較大間距,,這些區(qū)域會(huì)擠得更近,,靈活性更差。這是高NA EUV用戶必須特別注意的事情,。

  不,,隨機(jī)指標(biāo)不會(huì)消失

  使用更高的 NA 減小了光斑尺寸,因此,,圖像像素尺寸也有效地減小了,。我們還希望減少光刻膠模糊以利用更高分辨率。因此,,在相同的劑量和 k1(特征尺寸歸一化為波長/NA)下,,相同數(shù)量的邊緣像素中的光子數(shù)量將繼續(xù)減少。這意味著 EUV 成像的隨機(jī)問題將在特征邊緣持續(xù)存在,。

  下一代的EUV光刻,,準(zhǔn)備好了嗎?

  從開發(fā)到大批量制造成功過渡到新的制造工藝需要工藝工程師,、設(shè)備制造商,,尤其是化學(xué)品供應(yīng)商之間的集體協(xié)作。特別重要的是光刻膠材料的化學(xué)性質(zhì)以及它們與代表每個(gè)掩模層圖案數(shù)據(jù)的曝光光子/電子的相互作用,。

  未來工藝節(jié)點(diǎn)向高數(shù)值孔徑(“high NA”)光刻的過渡不僅需要來自系統(tǒng)供應(yīng)商(例如 ASML)的巨大工程創(chuàng)新,,還需要對(duì)合適的光刻膠材料進(jìn)行高級(jí)開發(fā)。

  在最近的 VLSI 2021 研討會(huì)上,,來自英特爾組件研究小組的 James Blackwell 對(duì)即將到來High NA EUV 過渡的潛在光刻膠的選擇和優(yōu)化提供了極具洞察力的見解,。

  從他的演講中可以清楚地看出,尋找合適的光刻膠仍然是一個(gè)非?;钴S的研究領(lǐng)域,,必須與系統(tǒng)開發(fā)同時(shí)進(jìn)行(使用 EUV 源而不是完整的掃描儀系統(tǒng))。本文總結(jié)了演講的亮點(diǎn),,特別關(guān)注了使High NA EUV 實(shí)現(xiàn)大批量制造所面臨的挑戰(zhàn),。

  背景

  在過去十年中,我們行業(yè)的一個(gè)分水嶺時(shí)刻是引入了多圖案光刻(multipatterning lithography),,以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵層上設(shè)計(jì)間距的持續(xù)縮放,。為了在繼續(xù)使用 193nm 波長的浸漬曝光 (193i)的前提下實(shí)現(xiàn)小于 ~80nm 的間距,我們有必要將掩模數(shù)據(jù)劃分為不同的子集,。Shapes用子集名稱“colored”——例如雙圖案光刻的“A”和“B”掩模數(shù)據(jù),。工藝設(shè)計(jì)套件布局規(guī)則得到擴(kuò)展,,以反映對(duì)用于對(duì)全層數(shù)據(jù)進(jìn)行子集化的算法支持。設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證功能已擴(kuò)展為執(zhí)行“循環(huán)”檢查,,以確認(rèn)將數(shù)據(jù)分解為可解析形狀的數(shù)據(jù)會(huì)在掩模庫中成功,。例如,循環(huán)分解錯(cuò)誤如下所示,。

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  全層圖案化(full layer patterning)是通過針對(duì)每個(gè)掩模子集的一系列“光刻”步驟實(shí)現(xiàn)的——例如,,LE-2、LE-3 和 LE-4 分別指定了雙重,、三重和四重圖案化的工藝流程,。

  此外,每個(gè)多圖案層的掩模到掩模重疊容差(mask-to-mask overlay tolerance)引入了新的工藝變化來源,。同一金屬層上相鄰導(dǎo)線之間的距離以及它們的耦合電容隨 LE-LE 工藝窗口而變化,。

  多重圖案的演變也導(dǎo)致制造成本增加;以摩爾定律為指導(dǎo)的“每晶體管成本降低”趨勢減弱,。如上所述,,隨著在連續(xù)工藝節(jié)點(diǎn)中繼續(xù)采用多重圖案模式,LE-2 演變?yōu)?LE-3 和 LE-4,,進(jìn)一步導(dǎo)致更高的成本,,如下所示。

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  (1)極紫外光

  經(jīng)常閱讀 SemiWiki 的讀者無疑熟悉波長為 13.5nm 的極紫外 (EUV) 光刻系統(tǒng)的最新發(fā)展,,以取代 193i 光刻,。為了應(yīng)對(duì)多圖案成本上升的趨勢,EUV 系統(tǒng)在曝光吞吐量(每小時(shí)晶圓數(shù)),、曝光強(qiáng)度和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間方面已達(dá)到生產(chǎn)狀態(tài),。如上圖所示,業(yè)界正在積極開展研發(fā)工作,,以發(fā)布第二代 EUV 系統(tǒng),。該系統(tǒng)將在透鏡路徑中加入更高的數(shù)值孔徑 (NA = 0.55),,從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的間距分辨率,,并再次重新校準(zhǔn) EUV 多重圖案化與第一代 NA=0.33 設(shè)備的每層成本趨勢。

  可以肯定的是,,EUV 系統(tǒng)是一個(gè)工程奇跡,。然而,EUV 光刻演化的一個(gè)經(jīng)常被低估的方面是相應(yīng)光刻膠材料的相應(yīng)開發(fā)工作,。

 ?。?)光刻膠基礎(chǔ)知識(shí)

  簡而言之,將涂有光刻膠的硅片選擇性地暴露于高能光子(或高能電子)會(huì)導(dǎo)致原始材料的化學(xué)鍵構(gòu)型發(fā)生變化,。對(duì)于(正性)有機(jī)光刻膠聚合物(organic photoresist polymer),,入射光子會(huì)導(dǎo)致“脫保護(hù)”(deprotection)化學(xué)反應(yīng),;隨后的步驟是將曝光的硅片浸入顯影劑中,從而溶解脫保護(hù)的聚合物,。雖然每個(gè)新工藝節(jié)點(diǎn)的尺寸目標(biāo)更加嚴(yán)格,,但基本目標(biāo)并沒有真正改變:

  對(duì)光子波長/能量的高吸光度和選擇性 (E=h*f):目標(biāo)是更低的光子劑量 (mJ/cm**2) 和更大的曝光寬容度

  高對(duì)比度

  化學(xué)反應(yīng)的低散射:對(duì)化學(xué)構(gòu)型差異的高顯影劑選擇性,目標(biāo)是減少顯影圖像的“線邊緣粗糙度”(line edge roughness“LER)

  低粘度:易于光刻膠應(yīng)用,;因?yàn)樾枰粚颖《鶆虻?PR 層(在旋涂和預(yù)烘烤之后),,因?yàn)?EUV 曝光的焦深(depth-of-focus )非常小。

  對(duì)晶圓基板表面的良好附著力

  蝕刻步驟后易于去除光刻膠

  對(duì)于最近的工藝節(jié)點(diǎn),,已經(jīng)引入了化學(xué)放大抗蝕劑 (chemically-amplified resist :CAR) 材料,。CAR 組合物在抗蝕劑中引入了”光酸產(chǎn)生劑“(photoacid generator:PAG)。簡單來說,,光酸(photoacid)是一種在吸收光時(shí)釋放質(zhì)子 (H+) 的分子,,稱為光解離(photodissociation)。曝光后,,隨后的加熱步驟會(huì)釋放出酸,,該酸充當(dāng)聚合物裂解的催化劑。

  酸在脫保護(hù)過程中不會(huì)被消耗,,而是繼續(xù)通過抗蝕劑擴(kuò)散以提供(數(shù)百個(gè))反應(yīng),,從而放大光子能量劑量的影響。抑制劑或猝滅劑(nhibitor  or quencher)化合物也被結(jié)合到 CAR 中,,連接到抗蝕劑聚合物鏈,。這種酸溶性抑制劑減輕了酸擴(kuò)散并改善了溶解對(duì)比度,從而減少了產(chǎn)生的 LER,。

  與 EUV 光刻的低焦深相關(guān)的薄光刻膠膜厚度,,結(jié)合減少劑量以提高系統(tǒng)吞吐量/正常運(yùn)行時(shí)間的目標(biāo),意味著 EUV 曝光是一個(gè)隨機(jī)過程,,事件中的(隨機(jī))變化光子/單位面積密度,。

  聚合物-CAG-抑制劑組分密度的不均勻性是另一個(gè)變化來源。過渡到薄有機(jī)光刻膠薄膜的另一個(gè)困難折衷是需要對(duì)圖案化后蝕刻(或注入implant)工藝步驟足夠堅(jiān)固,。較厚的 PR 層對(duì)后續(xù)步驟更堅(jiān)固,,但在較低的曝光劑量下更難解決。如下圖所示,,高縱橫比顯影的 PR 薄膜會(huì)出現(xiàn)”圖案塌陷“(pattern collapse),。

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  顯影液的表面張力會(huì)破壞相鄰的高 PR 線之間的間距。

  因此,,工藝工程師專注于改進(jìn) EUV 計(jì)量,,以發(fā)現(xiàn)光刻缺陷機(jī)制——例如,未完全開發(fā)的線路和通孔,。EUV 演進(jìn)中強(qiáng)烈相互依賴性的另一個(gè)跡象是半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商專注于快速,、在線光刻檢測,。

  抗High NA EUV(Resists for High NA EUV)

  James 提供的數(shù)據(jù)是英特爾、光刻膠供應(yīng)商,、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和研究實(shí)驗(yàn)室密切合作的結(jié)果,。下圖說明了由High NA EUV 實(shí)現(xiàn)的光刻間距的目標(biāo)轉(zhuǎn)變,以及需要更薄的抗蝕劑涂層以減少焦深,。

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  在高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)可用之前,,材料工程師如何評(píng)估潛在的光刻膠材料?James 描述了英特爾專門為光刻膠研究開發(fā)的系統(tǒng),,如下圖所示,。

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  EUV 源連接到wafer chamber。James 重點(diǎn)介紹了添加到系統(tǒng)中的傅立葉變換紅外光譜 (FTIR) 檢測功能,。(FTIR 使用材料在紅外光譜曝光中的吸收來提供材料分析,;它可以提供有關(guān)反應(yīng)物和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。)該系統(tǒng)使英特爾能夠深入了解光刻膠對(duì) EUV 曝光的響應(yīng),。

  EUV 光刻膠研發(fā)的一個(gè)獨(dú)特方面是使用金屬氧化物抗蝕劑化學(xué)作為傳統(tǒng)聚合物材料的替代品的潛力,。這些”無機(jī)“抗蝕劑具有高 EUV 吸收率和高抗蝕刻性,可用于后續(xù)加工,。下圖提供了金屬氧化物與有機(jī)抗蝕劑化學(xué)的簡化比較,。

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  James 描述了使用 Hf-OC 的金屬氧化物抗蝕劑的一種選擇。(行業(yè)中也正在積極研究 Ti 和 Zr 的氧化物,。)抗蝕劑的化學(xué)反應(yīng)順序如下所示 - FTIR 分析證實(shí)反應(yīng)過程中存在 CO2,,Hf-OC 簇的交聯(lián)為結(jié)果。

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  請(qǐng)注意,,曝光后的cross-linking 不同于前面描述的光解(photodissociation),,其中溶解度”開關(guān)“(switch)現(xiàn)在與負(fù)抗蝕劑相關(guān)。

  James 還描述了使用有機(jī) CAR 抗蝕劑進(jìn)行 EUV 曝光的結(jié)果,。建議的抗蝕劑(加 PAG 加抑制劑)化學(xué)的一個(gè)例子,,以及相應(yīng)的對(duì)比與劑量曲線如下所示。

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  如前所述,,抗蝕劑組合物的不均勻性導(dǎo)致顯影圖像的變化增加,。James 描述了英特爾團(tuán)隊(duì)為評(píng)估抗蝕劑的均勻性而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),如下圖所示,。

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  在這種情況下,,二次離子質(zhì)譜 (secondary ion mass spectroscopy:SIMS) 用于分析聚焦入射離子束大小的薄膜成分,,并聚集大量樣品以評(píng)估 PR 異質(zhì)性,。

  用 James 的話來說,”這種 SIMS 方法提供了數(shù)據(jù)來指導(dǎo)我們進(jìn)行化學(xué)變化,,從而提高圖案均勻性,。需要更好的分析方法來改進(jìn) EUV 抗蝕劑設(shè)計(jì),,以應(yīng)對(duì)High NA EUV 帶來的挑戰(zhàn)——例如用于金屬氧化物抗蝕劑的 SIMS 和 FTIR。而且,,與供應(yīng)商的密切合作至關(guān)重要,。“

  總結(jié)

  高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)的引入將是解決與 EUV 多重圖案相關(guān)的成本問題的關(guān)鍵步驟,。然而,,正如英特爾在 2021 年 VLSI 研討會(huì)上的演講所表明的那樣,為了滿足相應(yīng)的光刻膠材料要求,,特別是解決有機(jī)材料與金屬氧化物材料之間的權(quán)衡問題,,顯然還有大量的開發(fā)(和資格認(rèn)證)??纯床⑿星蚁嗷ヒ来娴墓饪滔到y(tǒng)和光刻膠技術(shù)如何發(fā)展將會(huì)非常有趣,。

  

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