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    下一代EUV光刻機帶來的新挑戰

    Sep,19,2022 << Return list

    High-NA EUV 有望將芯片制造工藝縮小到埃級別,為具有更高晶體管數量的芯片和全新的工具、材料和系統架構浪潮奠定基礎。


    在年初的 SPIE 高級光刻會議上,英特爾光刻硬件和解決方案總監 Mark Phillips 重申了公司打算在 2025 年將該技術部署到大批量生產中。雖然許多觀察家認為這個時間表是激進的,但該公司可能希望避免(或至少延遲)對 EUV 多重圖案工藝的需求。


    高數值孔徑 EUV 系統的好處可以用一個詞來概括——分辨率。將孔徑增加到 0.55,而不是當前曝光系統中的 0.33,可以成比例地提高可實現的臨界尺寸,相對于 0.33 NA 系統的 13nm,0.5 NA EUV 可能低至 8nm。

    不幸的是,目前還不存在量產的高數值孔徑 EUV 光刻機。在今年五月于 SPIE 上展示的工作中,ASML 和蔡司報告說,雖然開發正在按計劃進行,但預計要到 2023 年才能安裝第一個系統。從 0.33NA 到 0.55 NA 的轉變沒有最初引入 EUV 光刻那么激進,但光刻生態系統不僅包括對掃描儀的更改。為了在 2025 年之前將High NA 系統引入批量生產,該行業將需要改進光掩模、光刻膠疊層和圖案轉移工藝的其他方面。

    根本的挑戰是較大的數值孔徑會導致 EUV 光子以較低的入射角撞擊晶圓,從而降低焦深。這種較低的角度會加劇 3D 掩模效果,并使光刻機中潛像的形成復雜化。

    雖然光學光刻(365nm 至 193nm)系統使用折射光學器件,但 EUV 系統依賴于反射光學器件。入射的 13.5nm 波長光子撞擊多層鏡——目前由鉬/硅雙層組成,并以所需的角度反射回來(見圖 2)。光掩模通過在反射光子的路徑中放置一個吸收層來創建其圖案。


    雖然將光罩可視化為頂部帶有二維吸收器圖案的平面鏡很方便,但它實際上是一個三維物體。反射平面位于多層內部,當前材料的深度約為 50nm。吸收層具有厚度、折射率 (n) 和消光系數 (k),所有這些都會影響其產生的強度分布。


    在更高的孔徑下,光子以更淺的角度撞擊掩模,相對于圖案尺寸投射更長的陰影?!昂诎怠?、完全被遮擋的區域和“明亮”、完全曝光的區域之間的邊界變為灰色,從而降低了圖像對比度。


    這些影響并不新鮮。自 90nm 節點以來,相移掩模( Phase shift masks)已用于生產。2020 年, Fraunhofer Institute、Imec、ASML和蔡司的 Andreas Erdmann 及其同事系統地分析了 EUV 掩模材料對成像行為的影響。但是,即將采用的High NA EUV 系統將 3D 掩模效果推到了最前沿。有幾個選項可用于降低有效吸收器(absorber)高度,從而降低 3D 掩模效果的影響。


    第一個也是最簡單的方法是減小吸收材料的厚度。Imec 高級圖案化項目總監 Kurt Ronse 表示,由High NA EUV 圖案化的第一層可能具有相對寬松的尺寸,約為 28nm。簡單地降低吸收器高度應該提供足夠的對比度。然而,隨著功能不斷縮小,制造商將需要重新考慮吸收材料。Erdmann 指出,目前使用的鉭基吸收體的光學特性相對較差。降低吸收體的折射率將改善劑量-尺寸特性,在恒定曝光劑量下實現更小的特征。同時,增加消光系數會減少三維效應。


    不幸的是,n和k不是掩模制造商可以簡單地在工藝刻度盤上設置的獨立參數。它們是材料屬性,因此彼此相關,并與吸收器的其他特性相關。為了采用新材料,掩模制造商必須能夠蝕刻它并修復缺陷。目前用于鉭吸收體的反應離子蝕刻是一些候選材料的一種選擇,但新的吸收體仍可能需要新的蝕刻工藝和新的化學物質。接觸層和金屬層有不同的要求,可能需要不同的吸收體。Ronse 說,此時還沒有出現共識選擇。為了繼續進行工藝開發,掩模制造商需要行業的額外指導。


    甚至在更遠的地方,具有不同消光系數的新多層mask blank 可以減少反射平面的有效深度。例如,用釕代替鉬將提供 40nm 的反射深度。不過,更換多層材料比更換吸收器還要復雜。新的mask blank 將需要達到相同或更好的厚度均勻性和缺陷規格。Ronse 說,盡管最終可能有必要,但新的多層不會很快出現。


    掩模制造方面的另一個變化是從可變形狀光束 (VSB:variable shaped beam) 電子束掩模寫入器到多光束掩模寫入器?!岸喙馐鴮懭肫鞲m合 EUV,因為曝光光刻膠需要更多的能量,并且會產生加熱問題。所以你希望能夠使用多光束,即使是簡單的形狀。但多光束還可以在掩模上制造曲線形狀,而不會造成寫入時間損失,” D2S首席執行官 Aki Fujimura 說。

    在穿過光掩模的吸收器圖案后,EUV 光子遇到晶圓及其photoresist blanket。減小的焦深使得同時保持光刻膠疊層的頂部和硅片平面聚焦變得更加困難。如果焦點錯誤使相鄰特征靠得太近,則間隙無法清除并出現橋接缺陷。如果特征之間的空間太大,則所得到的光刻膠特征太薄并在其自身重量下塌陷。


    在 SPIE 上展示的工作中,Tokyo Electron蝕刻產品組的主管 Angélique Raley 解釋說,如果沒有足夠的聚焦深度,兩種方案之間已經很窄的工藝窗口可能會完全消失。降低光刻膠厚度既可以提高焦點,又可以降低圖案崩塌的風險,但也會帶來額外的挑戰。


    首先是較薄的光刻膠更容易產生隨機缺陷。EUV 曝光源提供的光子數量已經很低,較薄的光刻膠吸收確實到達的光子的能力較差。表現為線邊緣粗糙度的隨機缺陷已經是導致 EUV 良率損失的主要因素。


    通常,圖案轉移工藝依賴于復雜的疊層,包括光刻膠、促進粘附的底層和硬掩模層。初始步驟在轉移到晶圓之前復制硬掩模中的光刻膠圖案。如果曝光和未曝光的光刻膠特征之間的對比度較差,則可能需要一個初步的“descumming”步驟。在殘留物去除和圖案轉移蝕刻過程中,較薄的光刻膠更容易受到腐蝕。這些擔憂并不新鮮。一段時間以來,業界一直在研究替代光刻膠化學物質。盡管如此,還沒有出現普遍接受的傳統化學放大光刻膠的繼任者。


    在化學放大的光刻膠中,入射光子激活光酸產生劑分子,每個分子產生多種光酸。光酸反過來使光刻膠的主鏈聚合物去保護,使其可溶于顯影劑。然而,CAR 對 EUV 的吸收能力很差,需要相對較厚的層來捕獲足夠的劑量。


    一種有希望的替代品是金屬氧化物光刻膠,它使用入射光子來分解氧化錫納米團簇。氧化物簇可溶于顯影劑中,而金屬錫則不溶于。這些是負性光刻膠。暴露使材料不溶。金屬氧化物本質上更耐蝕刻并吸收更多的 EUV 光子,從而使它們能夠以更薄的層實現可比的結果。不幸的是,接觸孔,可能是高數值孔徑 EUV 曝光的第一個應用,需要正色調光刻膠。


    然而,如上所述,圖案轉移疊層比光刻膠更多。底層材料,通常是旋涂玻璃或碳化硅,有助于促進光刻膠粘附。Raley 證明,這些材料可以擴大橋接和圖案塌陷缺陷之間的工藝窗口。


    然而,底層也增加了必須去除以將圖案轉移到硬掩模的整體厚度。它需要與光刻膠一起變得更薄。然而,杜邦公司的 Jae Hwan Sim 及其同事表明,底層密度取決于厚度。薄的、不夠致密的底層可以允許光酸擴散。這種行為會去除光刻膠底部的光酸,導致顯影不完全。


    同時,0.55 NA 曝光系統減小的景深使得有效掩蔽更加困難。

    也就是說,隨著數值孔徑的增加,景深比 CD 下降得更快。


    由于景深較小,光刻膠必須更薄,以確保曝光特征的頂部和底部都清晰可見。然而,根據 imec 的 Arame Thiam 及其同事的說法,近 30% 的原始光刻膠厚度會在顯影步驟中損失。同時,米勒說,被圖案化的特征更高更窄??捎玫墓饪棠z較少,但特征需要通過更長的蝕刻工藝來保護。較薄的底層和硬掩模層可能有助于減少初始硬掩模蝕刻必須去除的材料量。


    制造商正在考慮使用金屬氧化物光刻膠,部分是為了提高光刻膠和被去除材料之間的蝕刻選擇性。傳統的等離子體蝕刻具有眾所周知的各向異性,例如以不同的速率蝕刻更窄的特征和更寬的特征,或者以與密集特征不同的速率蝕刻孤立的特征。然而,這些是依賴于模式的,而不是真正的化學選擇性的結果。更好的化學選擇性提高了曝光和未曝光區域之間的對比度。


    隨機變化會影響設備性能。線邊緣粗糙度、線寬粗糙度、局部CD變化等是由于光刻膠和光刻膠工藝中的不均勻性造成的。在某種程度上,他們測量了光刻膠成分分子的固有尺寸。如果特征縮小而分子尺寸保持不變,Thiam 說,線邊緣粗糙度(通常指定為 CD 的 10% 或更?。┛赡軙兊眠^大。干式光刻膠和金屬氧化物光刻膠的核心分子小于化學放大型光刻膠使用的聚合物鏈,這很有幫助。另一方面,由于光酸擴散,CAR 特征趨于模糊。這種模糊會降低整體分辨率,但可以消除粗糙度。


    盡管隨機變化會影響設備性能,但 IBM Research 的 Jennifer Church 和 Luciana Meli 解釋說,它不一定與良率相關。在 imec 的測試中,Thiam 的團隊發現三種不同的照明(illumination)方案給出了相似的 LER 結果,但器件良率不同。制程學習緩慢的部分原因是準確的良率分析需要對開路和短路進行電氣測試。


    雖然較小的特征更容易出現印刷缺陷和隨機變化,但兩者的原因不同。根據 William Hinsberg 及其同事的說法,當預期模式的某個元素缺失時,就會出現隨機缺陷。一條線可能有中斷,或者相鄰線之間有一座橋。接觸孔可能會丟失或與其鄰居合并。出現這些限制良率的缺陷是因為缺陷位置的光刻膠溶解度與設計預期的不同。


    在化學放大型光刻膠中,如果photoacid generator和quencher在給定位置處于平衡狀態,則 photoacid reaction會使所需數量的光刻膠分子去保護,然后反應停止。如果存在過量的光酸,無論是因為光刻膠的不均勻性還是入射光子分布的隨機性,都會發生比預期更多的去保護,并且曝光的光刻膠區域比預期的要大。(在positive tone resist中,這意味著掩蔽層和蝕刻特征將比預期的要小。)使用過量的quencher,會發生相反的情況。隨著光子、photoacid generator和quencher的平均數量下降,它們分布的標準偏差上升。缺陷變得更有可能。


    雖然對隨機缺陷的討論通常集中在較小的橫向尺寸上,但重要的是要記住光刻膠層是三維的。對于給定的特征尺寸,較薄的光刻膠包含較少的 PAG 和猝滅劑分子,并且更容易受到隨機缺陷的影響。

    事實上,EUV 對工藝工程師提出了雙重挑戰。雖然 Church 估計 EUV 曝光每單位劑量產生的光子少 14 倍,但確實存在的光子具有大量能量:

    其中c是光速,h是普朗克常數。


    業界將 13.5 nm 光子定義為“極紫外”,但它們實際上屬于軟 X 射線范圍,攜帶的能量是 193 nm ArF 深紫外光子的 10 倍以上。它們可以穿過光刻膠層,激發二次電子或在下面的底層引發化學反應。底層和光刻膠之間的光子驅動相互作用會降低曝光和未曝光區域之間的對比度。暴露區域的不完全清除會導致晶圓特征的不完全蝕刻和潛在的良率損失。


    為了最大限度地減少二次反應并最有效地利用可用的光子,光刻膠設計者試圖增加吸收。


    Lam Research 的 Mohammed Alvi 及其同事估計,Lam 的干式光刻膠吸收的光子數量是化學放大型光刻膠的三到五倍。[但是增加吸收會減弱光刻膠層頂部和底部之間的曝光強度。理想的光刻膠需要恰到好處的厚度——足夠厚以保護底層免受 EUV 光子和掩膜區域的侵蝕,但又足夠薄以促進整個光刻膠層的完全、均勻曝光。


    因為光刻膠層直接吸收 EUV 光子,所以它是圖案轉移疊層中最重要的一塊。正如 Chris Mack 所說,光刻膠捕獲的區域圖像是唯一可用于流程的設計師意圖指示。盡管如此,紐約奧爾巴尼 IBM 研究院的工藝技術總監 Nelson Felix 解釋說,單獨優化光刻膠層是不夠的。堆棧的其余部分提供了許多可調參數,具有積極和消極的后果。曝光后烘烤的優化可以通過加速或減速脫保護反應來幫助提高曝光寬容度。


    層之間的不相容性會導致缺陷,或者底層可以幫助彌補光刻膠的缺點。相對于旋涂光刻膠,Alvi 指出 Lam 的干法光刻膠方案有助于非??焖俚墓に噷W習。初級光反應材料的濃度可以在晶圓廠通過沉積參數進行調整。干式顯影過程同樣靈活。


    隨著光刻膠層變得更薄,整體光刻膠的特性變得不那么重要,并且光刻膠(暴露與否)與顯影劑和底層之間的界面變得更加重要。例如,圖案塌陷取決于光刻膠、顯影劑和底層材料之間界面的粗糙度、縱橫比和表面能。當capillary壓力超過光刻膠/底層界面處的粘附功時,圖案就會塌陷。減小線間距會增加capillary壓力,增加縱橫比也會增加。由于沒有capillary作用,干式顯影工藝降低了圖案塌陷的風險。


    然而,光刻膠化學受到光學和抗蝕刻性要求的限制。優化其表面能也很困難。相反,它會落到底層,為光刻膠粘附提供均勻的表面并介導光刻膠的去除。


    隨著制造商試圖開發高數值孔徑的 EUV 曝光工藝,對整個光刻膠疊層進行共同優化的需求為傳統的化學放大型光刻膠提供了優勢。CAR 光刻膠以數十年的過程學習和協同優化為后盾。菲利克斯說,目前,CAR“已經實現了我們這一代人的目標”。它是現有技術,背后有完善的生態系統。盡管如此,高 NA EUV 曝光仍然是一個階梯式變化。對于下一代,金屬氧化物光刻膠至少可以達到同等水平,前提是工藝堆棧的其余部分符合要求。

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