關于EUV的性能分析和挑戰(zhàn)

隨機變化需要新方法、新工具，以及不同公司之間的合作。

極紫外（EUV）光刻技術正在接近生產(chǎn)，但是隨機性變化——又稱為隨機效應正在重新浮出水面，并為這項期待已久的技術帶來了更多的挑戰(zhàn)。

GlobalFoundries、英特爾、三星和臺積電希望將EUV光刻技術加入到7nm和5nm生產(chǎn)中。但就像以前一樣，EUV由幾部分組件組成，在芯片制造商能夠引入之前，它們必須整合在一起。包括光刻機、光源、光刻膠和掩膜。最近，行業(yè)已經(jīng)開始發(fā)布關于量子隨機效應的警報，這種現(xiàn)象會引起光刻圖案隨機變化。

有些組件已經(jīng)準備就緒，而有些則發(fā)展緩慢。事實上，EUV團隊首次將光刻膠及其相關問題列為EUV的最大挑戰(zhàn)，超過了電源。經(jīng)過多年的推遲，EUV光源功率終于滿足了大批量生產(chǎn)（HVM）的要求。

光刻膠是用來制作圖案的光敏聚合物，它是造成隨機性效應的罪魁禍首之一。根據(jù)定義，隨機效應描述了具有光量子隨機變化的事件。它們是不可預測的，沒有穩(wěn)定的模式。

在EUV的情況下，光子擊中光刻膠并引起光化學反應。但是對于EUV光刻膠而言，由于量子非定域效應，每個或多個反應期間可能出現(xiàn)新的不同的反應。因此EUV容易發(fā)生涉及隨機效應。一般來說，該行業(yè)將隨機性主要歸咎于光刻膠，但EUV的光掩膜和其他部分(EUV光子平均自由程較大)也可能會出現(xiàn)隨機變量。

隨機效應并不新鮮。事實上，這一現(xiàn)象多年來一直困擾著EUV團隊。眾所周知，隨機效應會導致光刻圖案的變化。行業(yè)一直在努力解決這個問題，但人們要么低估了問題，要么沒能及時解決問題，要么兩者兼而有之。

新情況是，行業(yè)終于迎來了另一個問題。一顆先進的邏輯芯片集成了十億個甚至更多的微小通孔。 如果EUV光刻過程中出現(xiàn)問題，芯片可能會遭受由于隨機效應引發(fā)的失效或缺陷(通孔缺失contact missing)。換言之，一顆芯片可能會因為一個觸點通孔的缺陷而失效。

這可能是一廂情愿的想法，但芯片制造商相信他們可以躲避7nm工藝節(jié)點潛在的由隨機性引發(fā)的缺陷。事實上，EUV可能出現(xiàn)在7nm工藝節(jié)點。但在5nm甚至是7nm工藝節(jié)點的情況下，芯片制造商可能無法避免這些和其他問題，除非行業(yè)出現(xiàn)一些新的突破。GlobalFoundries高級研究員兼高級技術研究總監(jiān)Harry Levinson表示：“公平地講，我們的行業(yè)非常樂觀地看待我們向EUV光刻前進的方向。我們正準備將第一代引入到大批量生產(chǎn)中，展望第二代EUV光刻技術，抵抗隨機效應絕對是最重要的問題之一?！?/p>

無論節(jié)點如何，EUV隨機效應都為芯片制造商、晶圓廠工具供應商和IC設計團體帶來了麻煩。西門子公司DFM項目總監(jiān)David Abercrombie表示：“從設計的角度來看，隨機效應確實是隨機的，因為你無法預測變化的位置和數(shù)量。因此，沒有系統(tǒng)的方法可以說一個特定的布局特征應該在這個區(qū)域還是在另一個區(qū)域中進行修改。換言之，除了避免的所有敏感特性的出現(xiàn)，將其轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)設計規(guī)則約束以外，完全沒有辦法在設計過程中補償隨機效應影響?！?/p>

作為回應，該行業(yè)正在采取措施解決一些問題。其中包括：

? 供應商正在改進EUV光刻膠。

? Applied Materials和ASML正在開發(fā)一種新的電子束測量工具，承諾可以檢測出隨機性缺陷。此外，創(chuàng)業(yè)公司Fractilia已經(jīng)設計了一種方法來輔助測量。

? 然后，通過這些新的測量數(shù)據(jù)，芯片制造商請求有競爭力的晶圓廠工具供應商進行合作，并一起對信息進行整合。

為什么是EUV？

芯片制造商需要EUV，因為使用今天的光刻技術來繪制微小特征變得越來越困難。

最初，芯片制造商將把今天的193nm沉浸式光刻和多重曝光擴展到10nm和7nm工藝節(jié)點。這些技術是可行的，但是使用它們來實現(xiàn)特定圖形變得更加困難。因此，芯片制造商最初希望將EUV用于器件的通孔層。他們將繼續(xù)在其他部分使用沉浸式光刻和多重曝光。

根據(jù)GlobalFoundries的數(shù)據(jù)，為了處理觸點/通孔，在今天的7nm工藝節(jié)點中，每層需要2到4個掩膜。但是，EUV每層只需要一個掩膜。

EUV的引入取決于技術的成熟程度。今天，ASML正在出貨其首款量產(chǎn)EUV光刻機，NXE:3400B。13.5nm波長，擁有13nm光刻圖形分辨率。

EUV光刻機可以曝光出優(yōu)良的圖形，但多年來EUV光源沒有產(chǎn)生足夠的功率。這影響了系統(tǒng)的整體生產(chǎn)率?，F(xiàn)在，ASML正在出貨一個246瓦的EUV光源，生產(chǎn)率為125片晶圓/每小時（wph）。這達到了HVM大規(guī)模量產(chǎn)的目標水平。

然而，挑戰(zhàn)遠未結束。今天的193nm光刻機可以在250wph下不間斷運行。然而，EUV的正常運行時間徘徊在70％和80％左右。ASML產(chǎn)品營銷總監(jiān)Michael Lercel表示：“我們已經(jīng)證明我們可以實現(xiàn)生產(chǎn)率指標。今年的重點是確保實現(xiàn)可用性。我們的目標是達到90%以上的可用性?！?/p>

此外，EUV掩膜版保護薄膜還沒有準備好?！氨∧ふ谶M步。雖然透光率仍然很低，但是我們已經(jīng)證明了這些薄膜可以在245瓦的條件下使用。在采用一些新材料的離線測試中，我們認為它們甚至可以超過300瓦?！?/p>

光子計數(shù)

光刻膠是另一個挑戰(zhàn)。多年來，行業(yè)在248nm和193nm的光刻中使用了化學放大型光刻膠（CAR）。

簡而言之，光刻光源產(chǎn)生光子或光粒子。光子撞擊光化學放大型光刻膠，產(chǎn)生光酸。然后，化學放大型光刻膠在曝光后的烘烤過程中進行光酸催化反應。

可用于EUV的化學放大型光刻膠經(jīng)歷類似的過程之后會有不同的結果。IMEC先進圖案部門主管Gregory McIntyre表示：“在EUV案例中，情況要復雜得多，而且不是很好理解。你要有更高能量的光子，它會產(chǎn)生高能電子，并迅速躍遷為低能量電子。然后這些電子就會與被撞擊的物質(zhì)相互作用。這里有很多的未知因素，比如產(chǎn)生了多少電子，能量是多少，更重要的是，這些電子會產(chǎn)生什么樣的化學反應?！?/p>

另一種解釋是，當系統(tǒng)將光刻膠暴露于EUV光照射下，將一定數(shù)量的光子送入了光刻膠。理想情況下，這些光子會均勻分散。但是光刻膠的一點可能會吸收10個光子，而另一個點可能會吸收8個光子。這種不希望的結果被稱為量子隨機效應(量子漲落)。

圖1：隨機性圖像。 （來源：Fractilia，GlobalFoundries）

在另一個例子中，假設EUV光在三個連續(xù)和單獨的事件中擊中光刻膠。在第一個事件中，光刻膠吸收10個光子。第二次吸收9個光子，第三次吸收11個光子。這種從一個事件到下一個事件的變化稱為光子散射噪聲現(xiàn)象。

如果將這些事件繪制在圖表曲線上，那么光子的分布有時是不理想的。McIntyre表示：“隨著我們走向越來越小的特征尺寸，我們會發(fā)現(xiàn)高斯分布開始長出一條尾巴，并且在一邊變得不對稱。這種尾巴的增長導致極不可能發(fā)生事件的可能性增加?！?隨機漲落效應的影響大大增加)

圖2：帶尾巴的高斯分布。右邊的圖表基于1B數(shù)據(jù)點。（來源：GlobalFoundries）

多年前，隨機效應和散射噪聲并沒有出現(xiàn)在雷達屏幕上，但問題開始出現(xiàn)在193nm光刻技術中。在193nm處，芯片制造商在光刻圖形邊緣附近使用10mJ/cm2的劑量。Fractilia的首席技術官Chris Mack解釋說：“如果觀察1nm2的面積，那么在整個曝光過程中，平均有97個光子會穿過該區(qū)域進入光刻膠。但是如果觀察10nm2的面積，平均會有9700個光子。”

因此，根據(jù)Mack的說法，當有足夠數(shù)量的光子來生成一個圖案的時候，那么光子散射噪聲或隨機變異則只有1％。(在大量粒子統(tǒng)計情況下，量子漲落可以微不足道)

然而，EUV光子的每個光子的能量比193nm的光子高14倍。Mack表示：“這意味著，對于相同的劑量，EUV的光子數(shù)量要少14倍。因此，在上例中，我們有97個光子暴露在1nm2的區(qū)域，而EUV中只有7個光子。相對不確定性是光子數(shù)的平方根分之一。對于97個光子，這是+/-10%的不確定性。對于7個光子，不確定性為+/-40％?！?/p>

使得問題復雜的是，每個節(jié)點的特征尺寸都要更小一些。當你計算光刻過程中光子的數(shù)量時會發(fā)現(xiàn)，在這一點上的變化呈指數(shù)級上升。

這并不新鮮。多年來，Mack和其他人都警告說：“EUV隨機效應可能導致圖案成像中不希望的邊緣粗糙度（LER）。LER被定義為圖案邊緣與理想形狀的偏差?！?/p>

LER會影響晶體管的性能。此外，LER不隨著特征大小微縮，因此它在每個節(jié)點的圖案中會占據(jù)更大的百分比。

圖3：線邊緣粗糙度（LER）。 （來源：Lithoguru，F(xiàn)ractilia）

除了LER之外，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在還擔心芯片的其他部分，特別是觸點通孔。在操作中，EUV光刻機產(chǎn)生對接觸孔進行圖案化的光子。但有時，這一過程并不完美，導致通孔中存在隨機性缺陷。這些缺陷表現(xiàn)為斷線或通孔合并，有時稱為“通孔丟失和通孔接觸”。

圖4：隨機性失效和收縮工藝窗口 （來源：Imec）

這些缺陷是災難性的。Mack表示：“接觸孔是一個小點，你要放一些光子。但是如果只有少量光子，接觸孔有時會得到100個光子，有時會是80個，有時會是140個，結果就是接觸孔大小的變化?！?/p>

這些缺陷可能會在7nm工藝節(jié)點出現(xiàn)，但它們更可能在5nm及更先進的節(jié)點處出現(xiàn)。Mentor的Abercrombie表示：“EUV中的隨機效應實際上在CD控制的正常劑量/聚焦窗口上添加了隨機變化，以及額外的線邊緣粗糙度和光刻劑量變化。對于工程師來說，這意味著更少的工藝窗口，它可以轉(zhuǎn)化為更復雜的DRC設計規(guī)則和更少的工藝縮減?！?/p>

Abercrombie表示：“這使得以設計為導向的對策非常無效，因為你無法預測在任何特定布局位置或配置中會發(fā)生什么情況，因此無法對其進行修改。事實上，由于隨機效應可能會對目標平均值產(chǎn)生正負偏差和LER影響，因此，根據(jù)情況在一個特定位置進行修改可能造成的傷害跟益處一樣多。隨機效應將主要成為決定哪些層將使用哪種光刻/多重曝光技術來實現(xiàn)驗證流程節(jié)點所需的面積和產(chǎn)量要求的重要因素?！?/p>

新的解決方案？

解決隨機問題的一種方法是使用更高曝光能量的EUV光刻膠。理想情況下，芯片制造商需要20mJ /cm2的曝光能量。對于250瓦的光源，這個劑量將達到125 wph的吞吐量。

20mJ/cm2的光刻膠還沒有準備好用于7nm工藝節(jié)點。5nm工藝節(jié)點更是懸而未決。因此，行業(yè)做出了一些妥協(xié)。芯片制造商使用曝光能量為30-40mJ/cm2的CAR型抗蝕劑。這些曝光能量提供了良好的分辨率，但速度較慢，并影響EUV的生產(chǎn)率。芯片制造商似乎在30-40mJ/cm2劑量的光刻膠中獲得了良好的產(chǎn)量。

根據(jù)ASML的統(tǒng)計，使用30mJ/cm2的能量時，250瓦光源的EUV掃描器的吞吐量約為104-105 wph，沒有掩膜版保護薄膜。這低于理想的125 wph目標。

那么未來的解決方案是什么呢？英特爾前高級研究員Yan Borodovsky表示：“一種方法是將光源提高到500瓦或1000瓦。這樣就可以使用更高的能量并確保產(chǎn)量。但是500瓦（或以上）的光源仍在研發(fā)中。”

另一種方法是改善EUV光刻膠。Lam Research技術總監(jiān)Richard Wise表示：“現(xiàn)在，功率的縮減已經(jīng)接近預期，人們開始投入更多材料。一旦你研究了缺陷或隨機缺陷的機制，就會發(fā)現(xiàn)它實際上是由光子散射噪聲和光刻膠污跡引起的。我可以展示一個圖案，但缺陷是災難性的，無法忍受?！?/p>

在EUV中，有兩種主要的光刻膠類型——CAR化學放大型和金屬氧化物。Wise表示：“CAR有著悠久的歷史。這種機制很好理解。金屬氧化物是更新的。這兩個系統(tǒng)都在取得進展。我認為他們正在以同樣的速度取得進展。”

CAR有幾種變體。一位候選是一個金屬敏化CAR。金屬具有較高的光吸收?？的螤柎髮W材料工程教授Christopher Ober表示：“通過加入合適的金屬，你可以在CAR性能方面取得顯著的進步?！?/p>

其次，JSR、TEL和其他公司正在開發(fā)另一種稱為光敏CAR（PSCAR）的變體。為此，這種機制會釋放一種酸。然后，它會觸發(fā)光敏劑。Ober表示：“你可以進行整片曝光，這會導致更高性能的成像?！?/p>

與此同時，初創(chuàng)公司Irresistible Materials正在開發(fā)一種多元觸發(fā)型化學放大光刻膠。除CAR之外，Inpria正在開發(fā)基于納米氧化錫的金屬氧化物EUV光刻膠。Lam公司的Wise表示：“金屬氧化物的理論是合理的。你會捕獲更多的光子，并且有更高的散射噪聲密度?！?/p>

盡管如此，關于光刻膠還是有一些挑戰(zhàn)和折衷。在SPIE的一篇論文中，TEL和Imec比較了CAR和金屬氧化物抗蝕劑在低于36nm的間距下的低曝光劑量。在SPIE的一次演講中，TEL公司的工藝工程師Sophie Thibaut表示：“在這兩種情況下，你都會有光刻，線寬和粗糙度。CAR在中高頻區(qū)域具有更好的LER和LWR性能。 但含金屬的抗蝕劑對于低頻區(qū)域更好。”

圖5：CAR抗蝕劑vs金屬氧化物抗蝕劑 （來源：Imec）

十億個觸點

除了光刻膠，行業(yè)還面臨著另一個挑戰(zhàn)。如何確保一顆集成了10億個或更多通孔觸點的芯片獲得良好的產(chǎn)量？

計量學是第一步，這是測量芯片的科學。在晶圓廠中，芯片制造商最初使用CD-SEM。但CD-SEM僅限于每次測量10,000個特征圖形，這意味著它可能無法檢測到所有因隨機效應引起的缺陷。

Applied Materials公司的計量和過程控制主管Ofer Adan表示：“在處理EUV隨機效應時，我們需要測量你所看到的許多屬性。你想看到阻斷層、分割層和正確的CD。你想看到它們被放置在正確的位置。你希望看到它們沒有觸及觸點和通孔。你還希望看到它們沒有間距變化。你有EUV隨機性。他們與其余的流程步驟互相影響。所以我們需要覆蓋EUV和非EUV之間的接口。這包括套刻精度以及EUV層和非EUV層之間的混合圖形匹配，所以這是一個巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>

這里還有其他挑戰(zhàn)。GlobalFoundries的高級技術人員Benjamin Bunday表示：“如果你用光刻機曝光的產(chǎn)品平均視場尺寸除以我們期望在這些節(jié)點上的接觸孔的間距，那么你的每個全視場就可以處理大約1萬億個特征圖形。我們需要以百萬分之一級別的敏感度來進行抽樣。我們?nèi)绾卧诖蠛＠頁频侥歉?？因此，從某種意義上講，我們正在開始關注一個理論，我們可能想要衡量10億個特征圖形，以便對這些圖形有很好的抽樣和確定性?，F(xiàn)在，當然，我相信我們會找到一種方法來減少一些條件，削減幾個數(shù)量級。我們必須要做到切實可行。但這就是數(shù)字所說明的問題?！?/p>

為了幫助解決這一問題，Applied Materials和ASML正在為其電子束檢測工具增加計量功能。他們將把CD-SEM和套刻精度測量能力混合在一起。

實際上，一個工具可以在短時間內(nèi)拍攝大視野。那么，根據(jù)設備制造商的說法，你可以使用成像技術來啟用CD-SEM，在幾小時內(nèi)提供數(shù)百萬次測量。ASML公司的Lercel表示：“只有測量結果告訴你哪里出了問題，你才能開始解決這些問題。如果你可以測量每一個通孔觸點，你就會得到這些數(shù)據(jù)，來發(fā)現(xiàn)高斯分布的拖尾部分?！?/p>

CD-SEM和相關工具可能會遇到信號與噪聲問題，從而導致所謂CD偏差的問題。為了解決這個問題，F(xiàn)ractilia有一個能夠測量LER和通孔失效的軟件工具。該工具可以把CD-SEM的誤差和光刻特征圖形區(qū)分開。

對于EUV計量，光學CD（OCD）是另一種可能性。 然后，芯片制造商還必須使用晶圓檢測工具（如明視野）來定位缺陷。KLA-Tencor公司全球客戶參與高級總監(jiān)Neeraj Khanna表示：“對于EUV來說，缺陷更加隨機，這是一個巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>

一旦芯片制造商深入了解了計量/檢驗數(shù)據(jù)，他們就可以調(diào)整晶圓廠工具上的可調(diào)工藝參數(shù)來處理EUV隨機性。然而，這并不那么簡單。Khanna表示：“所有這一切都需要更多的過程控制，其中很多都要回到基本的產(chǎn)量控制上。如果你只在一個過程中控制它，比如光刻，那將是非常困難的。今天，我們有光刻、蝕刻、CMP和一個非常閉環(huán)的反饋通道?！?/p>

與任何工藝一樣，芯片制造商必須使工具在晶圓廠中協(xié)同工作。但由于EUV隨機效應，芯片制造商可能會遇到新的復雜數(shù)據(jù)的爆炸式增長。ASML有一個解決方案。ASML的Lercel表示：“這是我們添加的整體光刻技術的關鍵部分。這可以確保我們擁有計量方法，確保我們與蝕刻公司有良好的合作關系，并確保我們是否能夠獲得足夠的計量數(shù)據(jù)來執(zhí)行正確的工藝閉環(huán)控制。這就是我們認為需要共同努力才能取得成功的原因。如果你可以一起優(yōu)化所有這些部件，你就能最終達到你所需要的邊緣放置誤差容限EPE?！?/p>

晶圓廠有很多不同的工具，但可能還不夠。因此，芯片制造商要求他們的計量和其他工具供應商一起工作，并幫助整理數(shù)據(jù)。據(jù)一家芯片制造商稱：“目前還不清楚將如何工作，因為沒有開放的框架可以做到這一點。”

不過，行業(yè)必須合作。否則，隨著更多的隨機效應需要處理，EUV的引入可能會變得更困難。