Hing NA EUV光刻機(jī)有望將芯片的制造節(jié)點(diǎn)縮小至埃級(jí)別,，為具有更高晶體管數(shù)量的芯片以及全新的工具、材料和系統(tǒng)架構(gòu)浪潮奠定基礎(chǔ),。
在去年的 SPIE 高級(jí)光刻會(huì)議上,，英特爾光刻硬件和解決方案總監(jiān) Mark Phillips 重申了該公司打算在 2025 年將該技術(shù)部署到大批量生產(chǎn)中。
雖然許多觀察家認(rèn)為這個(gè)時(shí)間表很激進(jìn),，但該公司可能希望避免——或至少延遲——使用 EUV 進(jìn)行多重圖案化工藝的需要,。
High NA EUV 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可以用一個(gè)詞來(lái)概括——分辨率。將孔徑增加到 0.55,，而不是當(dāng)前曝光系統(tǒng)中的 0.33,，可以按比例改善可實(shí)現(xiàn)的臨界尺寸，相對(duì)于 0.33 NA 系統(tǒng)的 13nm,，0.5 NA EUV 可能低至 8nm,。
不幸的是，尚不存在量產(chǎn)的High NA EUV 光刻機(jī),。在去年的 SPIE 上,，ASML 和 Zeiss 報(bào)告說(shuō)，盡管開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中,，但預(yù)計(jì)要到 2023 年才能安裝第一個(gè)系統(tǒng),。
從 0.33 到 0.55 NA 的過(guò)渡沒(méi)有最初引入 EUV 光刻那么激進(jìn)，但光刻生態(tài)系統(tǒng)不僅僅包括光刻機(jī)的變化,。為了到 2025 年將High NA 系統(tǒng)引入批量制造,，該行業(yè)將需要改進(jìn)光掩模,、光刻膠堆疊和圖案轉(zhuǎn)移工藝的其他方面。
圖 1：EUV 光學(xué)元件被組裝到系統(tǒng)框架中
根本的挑戰(zhàn)在于,，較大的數(shù)值孔徑會(huì)導(dǎo)致 EUV 光子以較低的入射角撞擊晶圓,，從而降低焦深。這個(gè)較低的角度加劇了 3D 掩模效應(yīng)并使光刻膠中潛像的形成復(fù)雜化,。
圖 2：EUV 掩模的橫截面
掩模具有厚度
雖然光學(xué)光刻（365nm 至 193nm）系統(tǒng)利用折射光學(xué)器件,，但 EUV 系統(tǒng)依賴(lài)于反射光學(xué)器件。入射的 13.5 納米波長(zhǎng)光子撞擊多層鏡——目前由鉬/硅雙層組成——并以所需角度反射回來(lái)（見(jiàn)圖 2）,。
光掩模通過(guò)在反射光子的路徑上放置吸收層來(lái)創(chuàng)建其圖案,。
雖然將延哦想象成頂部帶有二維吸收器圖案的平面鏡很方便，但它實(shí)際上是一個(gè)三維物體,。反射面位于多層內(nèi)部,，當(dāng)前材料的深度約為 50 納米。吸收層具有厚度,、折射率 (n) 和消光系數(shù) (k),，所有這些都會(huì)影響它產(chǎn)生的強(qiáng)度分布。
在更高的孔徑下,，光子以更小的角度撞擊掩模,，相對(duì)于圖案尺寸投射更長(zhǎng)的陰影。“暗”,、完全遮擋區(qū)域和“亮”,、完全曝光區(qū)域之間的邊界變成灰色，降低了圖像對(duì)比度,。
這些影響并不新鮮,。自 90nm 節(jié)點(diǎn)以來(lái)，相移掩模（Phase shift masks ）已用于生產(chǎn),。2020 年,，弗勞恩霍夫研究所的 Andreas Erdmann 及其同事,、Imec,、ASML和 Zeiss 系統(tǒng)地分析了 EUV 掩模材料對(duì)成像行為的影響。
但即將采用的High NA EUV 系統(tǒng)將 3D 掩膜效應(yīng)推到了最前沿,。有幾個(gè)選項(xiàng)可用于降低有效吸收器高度,，從而降低 3D 掩膜效應(yīng)的影響。
第一個(gè)也是最簡(jiǎn)單的方法是減少吸收材料（absorber material）的厚度,。Imec 高級(jí)圖案化項(xiàng)目主管 Kurt Ronse 表示,，由High NA EUV 圖案化的第一層可能具有相對(duì)寬松的尺寸，約為 28 納米,。簡(jiǎn)單地降低吸收器高度應(yīng)該提供足夠的對(duì)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（tantalum-based）吸收體（absorber ）的光學(xué)特性相對(duì)較差。降低吸收劑的折射率將改善劑量-尺寸特性,，在恒定曝光劑量下實(shí)現(xiàn)更小的特征,。同時(shí)，增加消光系數(shù)可減少三維效應(yīng),。
不幸的是,，n和k不是掩模制造商可以簡(jiǎn)單地在工藝轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置的獨(dú)立參數(shù)。它們是材料特性,，因此彼此相關(guān)并與吸收器的其他特性相關(guān),。
為了采用新材料，掩模制造商必須能夠蝕刻它并修復(fù)缺陷,。目前用于鉭吸收劑的反應(yīng)離子蝕刻是某些候選材料的一種選擇,，但新的吸收劑仍可能需要新的蝕刻工藝和新的化學(xué)物質(zhì)。接觸層和金屬層有不同的要求,，可能需要不同的吸收器,。Ronse 說(shuō)，目前還沒(méi)有出現(xiàn)一致的選擇,。為了繼續(xù)進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā),，掩模制造商需要來(lái)自行業(yè)的額外指導(dǎo)。
甚至在更遠(yuǎn)的地方,，具有不同消光系數(shù)的新型多層掩模坯料可以減少反射面的有效深度,。例如，用釕代替鉬將提供 40 納米的反射深度,。不過(guò),，更換多層材料比更換吸收器更復(fù)雜。新的掩模坯料需要達(dá)到相同或更好的厚度均勻性和缺陷規(guī)格,。Ronse 說(shuō),，雖然這最終可能是必要的，但新的多層不會(huì)很快出現(xiàn),。
掩模制造方面的另一個(gè)變化是從可變形狀光束 (VSB) 電子束掩模寫(xiě)入器到多束掩模寫(xiě)入器,。“多光束寫(xiě)入器更適合 EUV，因?yàn)樗枰嗟哪芰縼?lái)曝光光刻膠并產(chǎn)生加熱問(wèn)題,。所以你希望能夠使用多光束,，即使是簡(jiǎn)單的形狀。但多光束還可以在掩模上制造曲線(xiàn)形狀，而不會(huì)增加寫(xiě)入時(shí)間,，” D2S首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 說(shuō),。
圖案轉(zhuǎn)移變得（更）復(fù)雜
在穿過(guò)光掩模的吸收?qǐng)D案后，EUV 光子遇到晶圓及其光刻膠覆蓋層,。焦點(diǎn)深度的減小使得同時(shí)保持光刻膠疊層頂部和晶圓平面聚焦變得更加困難,。如果焦點(diǎn)錯(cuò)誤使相鄰特征靠得太近，則間隙無(wú)法清除并出現(xiàn)橋接缺陷,。如果特征之間的空間太大,，則產(chǎn)生的光刻膠特征太薄并在其自身重量下坍塌。
在 SPIE 上展示的作品中,，Tokyo Electron 的蝕刻產(chǎn)品組總監(jiān) Angélique Raley 解釋說(shuō),，如果沒(méi)有足夠的聚焦深度，兩種機(jī)制之間本已狹窄的工藝窗口可能會(huì)完全消失,。減少光刻膠厚度既可以提高焦點(diǎn)并降低圖案坍塌的風(fēng)險(xiǎn),，但也帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。
首先是較薄的光刻膠更容易產(chǎn)生隨機(jī)缺陷,。EUV 曝光源提供的光子數(shù)量已經(jīng)很低,，較薄的光刻膠吸收到達(dá)的光子的能力較差。表現(xiàn)為線(xiàn)邊緣粗糙度的隨機(jī)缺陷已經(jīng)是導(dǎo)致 EUV 良率損失的主要原因,。
通常,，圖案轉(zhuǎn)移工藝取決于復(fù)雜的堆疊，包括光刻膠,、粘合促進(jìn)底層和硬掩模層,。初始步驟在轉(zhuǎn)移到晶圓之前復(fù)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(duì)比度很差,，則可能需要初步的“去浮渣”步驟,。較薄的光刻膠在殘留物去除和圖案轉(zhuǎn)移蝕刻期間更容易受到侵蝕。
這些擔(dān)憂(yōu)并不新鮮,。一段時(shí)間以來(lái),，業(yè)界一直在研究替代光刻膠化學(xué)品。盡管如此,，還沒(méi)有出現(xiàn)普遍接受的傳統(tǒng)化學(xué)增強(qiáng)光刻膠的替代品,。
在化學(xué)放大光刻膠中，入射光子激活光酸生成劑分子,，每個(gè)分子生成多種光酸,。光酸進(jìn)而使光刻膠的主鏈聚合物脫保護(hù),，使其可溶于顯影劑,。但是，CAR 很難吸收 EUV，需要相對(duì)較厚的層才能捕獲足夠的劑量,。
一種有前途的替代方法是金屬氧化物光刻膠,，它使用入射光子來(lái)分解氧化錫納米團(tuán)簇。氧化物團(tuán)簇可溶于顯影劑,，而金屬錫則不可溶,。這些是負(fù)性光刻膠。暴露使材料不溶,。
金屬氧化物本質(zhì)上更耐蝕刻并吸收更多的 EUV 光子,，使它們能夠用更薄的層實(shí)現(xiàn)可比的結(jié)果。不幸的是,，接觸孔可能是高 NA EUV 曝光的第一個(gè)應(yīng)用,，需要正色調(diào)光刻膠。
但是,，如上所述,，圖案轉(zhuǎn)移堆棧比光刻膠更多。底層材料（通常是旋涂玻璃或碳化硅）有助于促進(jìn)光刻膠粘附,。Raley表示,，這些材料可以擴(kuò)大橋接和圖案坍塌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(zhuǎn)移到硬掩模的總厚度,。它需要與光刻膠一起變薄。然而,，Jae Hwan Sim 和杜邦公司的同事表明,，底層密度取決于厚度。薄的,、不夠致密的底層會(huì)允許光酸擴(kuò)散,，這會(huì)從光刻膠的底部去除光酸，導(dǎo)致顯影不完全,。
正如 SPIE 會(huì)議明確指出的那樣,，無(wú)論光刻工程師是否準(zhǔn)備好，High NA 曝光系統(tǒng)將很快帶來(lái)額外的復(fù)雜性,。
文章出處：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
