EUV工藝不同多重圖形化方案的優(yōu)缺點(diǎn)及新的進(jìn)展研究

2019年，EUV光刻（EUVL）將達(dá)到一個(gè)重要的里程碑。經(jīng)過多年的等待，先進(jìn)光刻技術(shù)終于進(jìn)入大批量生產(chǎn)。EUVL將率先用于7nm節(jié)點(diǎn)（IMEC N8或代工廠N7）邏輯后段（BEOL）的最關(guān)鍵金屬層和通孔。與此同時(shí)，研究中心正在探索未來技術(shù)節(jié)點(diǎn)的選擇，這些節(jié)點(diǎn)將逐步納入更多的EUVL印刷結(jié)構(gòu)。在本文的第一部分，imec的干法蝕刻研發(fā)工程師Stefan Decoster比較了在N3及更先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，不同的多重圖形化方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

與過去相比，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)將EUVL作為存儲(chǔ)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的圖形化工藝的一個(gè)選項(xiàng)，例如DRAM的柱體結(jié)構(gòu)及STT-MRAM的MTJ。在本文的第二部分，IMEC的研發(fā)工程師Murat Pak提出了幾種STT-MRAM關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的圖形化方案。

在后段引入EUV多重顯影

今年，一些主要的代工廠將首次在其大批量生產(chǎn)線中使用EUVL來處理邏輯7nm（N7）芯片。它們將EUVL引入BEOL的最關(guān)鍵金屬層（local M0至M3），以及互連這些金屬層的過孔中。在這些層中，線和溝槽具有36-40nm量級(jí)的節(jié)距。溝槽與溝槽的隔斷相互垂直，以便在連續(xù)溝槽中產(chǎn)生隔斷。下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)N5會(huì)運(yùn)用到28到32nm之間的金屬節(jié)距。

“2017年，我們已經(jīng)證明這些32nm節(jié)距線可以在一次曝光中直接用EUVL進(jìn)行圖形化，”Stefan Decoster補(bǔ)充道。“或者，可以使用混合選項(xiàng)，其中基于193i的SAQP與EUV block相結(jié)合?！?/p>

圖示采用193nm浸入式SAQP圖形化的32nm節(jié)距M2層，以及直接由EUV圖形化制作的隔斷（block）。

從EUV單次顯影到EUVL多重顯影

同時(shí)，很明顯，EUVL單次曝光已經(jīng)達(dá)到了32納米到30納米節(jié)距的極限。Stefan Decoster：“超過30nm節(jié)距，使用當(dāng)前的EUVL技術(shù)（即0.33數(shù)值孔徑（NA））需要采用多重圖形化技術(shù)，進(jìn)一步縮小尺寸。這些技術(shù)通常涉及將芯片圖案分成兩個(gè)或更多個(gè)更簡(jiǎn)單的掩模，并且可以以不同的風(fēng)格存在。EUV多重顯影將比原先想象的更早推出， 主要是由于存在隨機(jī)失效。“這些失效在極小的特征尺寸下開始變得更加明顯，并且限制了EUV單次曝光的實(shí)際分辨率。

IMEC N5技術(shù)節(jié)點(diǎn)的多重顯影方案

在實(shí)踐中，這意味著IMEC N5（或代工廠N3）技術(shù)節(jié)點(diǎn)具有21nm的金屬節(jié)距，這需要EUVL multi-patterning，例如SADP或LELE，當(dāng)然，IMEC還提供了另外兩種方案，即193iSAQP，193i SAOP，仍然可以實(shí)現(xiàn)這些尺寸的線和溝槽。在成本，光刻質(zhì)量和工藝流程的復(fù)雜性方面，這些技術(shù)中的每一種都具有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

“然而，EUVL single patterning 并不止步于此，”Stefan Decoster澄清道?！拔覀冾A(yù)計(jì)更松弛的金屬層（例如M4至M7層）和關(guān)鍵過孔仍然可以利用EUVL單次曝光來實(shí)現(xiàn)。此外，IMEC和ASML正在開發(fā)下一代high-NA EUVL系統(tǒng)（NA =0.55），以進(jìn)一步提高單次曝光的分辨率?！?/p>

IMEC N5以下：16 nm節(jié)距的圖形化方案

IMEC的研究人員探索了四種不同的圖形化方案，用于制作20nm節(jié)距以下的圖形：基于193i的SAOP方案，基于EUV的SADP方案，基于EUV的SAQP方案和EUV SALELE方案。Stefan Decoster：“這四種方案都可以制作16nm節(jié)距的線。然而，它們?cè)诹鞒虖?fù)雜性，成本，可擴(kuò)展性和設(shè)計(jì)自由度方面存在差異，這些都是行業(yè)的重要考慮因素。我們還發(fā)現(xiàn)，線邊緣粗糙度（LER）仍然是主要關(guān)注點(diǎn)?！?/p>

193nm 浸沒式光刻仍然可以完成這項(xiàng)工作

在這些激進(jìn)的節(jié)距下，193nm浸沒式光刻只能與SAOP結(jié)合使用 ，從128nm節(jié)距開始經(jīng)歷三次圖形倍增最終達(dá)到16nm節(jié)距。Stefan Decoster指出，193i SAOP的優(yōu)點(diǎn)是線條邊緣粗糙度（LER）小，但一個(gè)固有的缺點(diǎn)是極其漫長(zhǎng)而復(fù)雜的工藝流程，這給過程控制和成本帶來了挑戰(zhàn)。

使用EUVL multi-patterning可以使flow變短

“出于這個(gè)原因，我們還探索了‘較短的’基于EUVL的圖形化方案，即EUV的SADP”，Stefan Decoster補(bǔ)充道，“為了實(shí)現(xiàn)這種圖形化方法，EUV光刻的起始節(jié)距必須為32nm。雖然目前的EUVL技術(shù)仍然能夠制作32nm節(jié)距線，但是所得到的線寬不能小于16nm。因此，我們不得不應(yīng)用額外的trim技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在32nm節(jié)距下8nm的線寬（mandrel）。采用SADP技術(shù)，這種節(jié)距可以成功地降低到16nm?！?6 nm節(jié)距的圖形也可以采用更具可擴(kuò)展性的EUVL SAQP方法，從更寬松的64nm節(jié)距開始。然而，對(duì)于這些基于EUV的多重圖形化方法，線邊緣粗糙度（LER）仍然是一個(gè)重要問題。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種LER可以進(jìn)一步降低，例如通過選擇恰當(dāng)?shù)墓饪棠z材料和改善光刻膠平滑性。

三種圖形化flow可實(shí)現(xiàn)16nm節(jié)距圖形（自上而下的SEM圖）頂部）基于EUV的SADP，（中）基于EUV的SAQP和（底部）193iSAOP。所有三個(gè)選項(xiàng)的LER均在8nm line和space的情況下測(cè)得。

為了優(yōu)化MTJ的LCDU，已經(jīng)提出并比較了不同的EUV光刻方案。MuratPak：“首先，我們考慮了不同的光刻膠，包括眾所周知的化學(xué)放大膠（CAR），以及兩種不同的MCR（含金屬）光刻膠。其次，我們的團(tuán)隊(duì)篩選了不同的底層包括旋涂碳（SOC）和旋涂玻璃（SOG），并研究了它們對(duì)光刻膠性能的影響。最后，我們研究了不同的tonalites（相當(dāng)于正膠和負(fù)膠的區(qū)別，編者注），特別是CAR光刻膠（做柱）和positive tone光刻膠加上tone反轉(zhuǎn)工藝（將孔變成柱）。“該團(tuán)隊(duì)還研究了光刻膠上的LCDU的改進(jìn)是否會(huì)轉(zhuǎn)移到了蝕刻之后。以上所有實(shí)驗(yàn)中的EUV都使用ASMLTWINSCAN NXE：3300B進(jìn)行曝光。

tone反轉(zhuǎn)過程的圖示： （左）用正tone CAR光刻膠獲得的孔和（右）在tone反轉(zhuǎn)后獲得的柱。

三種有可能的方案 （如下圖，由編者添加）

其中一支MCR光刻膠搭配SOC和SOG均獲得了相對(duì)較好的LCDU結(jié)果。第三種方案是tone反轉(zhuǎn)工藝 ，最終也表現(xiàn)良好。“對(duì)于所有這三種方法，我們獲得了超過20％的LCDU的改進(jìn)，”Murat Pak補(bǔ)充道?！斑@是整個(gè)工藝流程朝向1.55nm LCDU目標(biāo)的重要一步?！睂?duì)于這些有前景的光刻工藝方案，其他性能指標(biāo)，如工藝窗口分析，柱圓度和尺寸均勻性均已通過驗(yàn)證。

最容易使用的工具是CD-SEM（一種掃描電子顯微鏡），CD-SEM可被用于各種缺陷的檢測(cè)，但缺點(diǎn)在于觀察面積有限，一片完整的晶圓掃描下來需要幾個(gè)月。另一種工具是E-beam，掃描面積更大，缺點(diǎn)就是所使用的高能電子束對(duì)光刻膠有破壞性并且對(duì)晶圓級(jí)的掃描仍然不夠高效。一些公司采用多電子束掃描試圖解決速度問題，但如何保證上千束電子束的校準(zhǔn)以及如何保障電子束彼此之間不能互相影響，是他們需要解決的問題。

“光學(xué)缺陷檢測(cè)是每個(gè)人都想使用的終極方案，它的優(yōu)點(diǎn)是晶圓級(jí)別的掃描，而這正是工業(yè)界需要的。它的檢測(cè)靈敏度達(dá)到0.01/cm2。” Peter De Bisschop說。通過檢測(cè)光和軟件的研究和優(yōu)化，光學(xué)檢驗(yàn)領(lǐng)域在最大限度地提高信噪比方面取得了很大的進(jìn)步。

每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)

此外，光學(xué)缺陷檢測(cè)能夠檢測(cè)非常小的缺陷也是要付出代價(jià)的。光學(xué)技術(shù)已被成功的應(yīng)用于一些尺寸比較大的例如粒子缺陷檢測(cè)，“但是現(xiàn)在，缺陷變得如此之小，我們不禁要問自己，光學(xué)方法是否具有足夠高的靈敏度來檢測(cè)這些隨機(jī)缺陷，例如線的橋連或者孔的丟失？這仍然是懸而未決的問題。當(dāng)然，對(duì)于尺寸較大的缺陷檢測(cè)，光學(xué)技術(shù)毫無疑問是不二選擇?！盤eter De Bisschop 說道。

所以，我們?nèi)匀蝗鄙僖粋€(gè)可以做所有事情的方法，每種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如，對(duì)橋連的檢測(cè)，光學(xué)方法相比CD-SEM，二者表現(xiàn)出不同——但互補(bǔ)——的作用范圍。測(cè)量高密度缺陷時(shí)CD-SEM是很好的選擇，將CD-SEM測(cè)量的數(shù)據(jù)外推幾個(gè)量級(jí)，可以得到很合理的預(yù)測(cè)趨勢(shì)（如下圖）。同時(shí)，光學(xué)檢測(cè)方法對(duì)細(xì)微尺寸的橋連缺陷的檢測(cè)也有非常好的靈敏性。

機(jī)器學(xué)習(xí)的興起

機(jī)器學(xué)習(xí)可以使現(xiàn)有設(shè)備更加高效。CD-SEM比SEM-Review慢得多，因?yàn)榍罢邔?duì)每一個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行精細(xì)掃描，而后者則只是粗略掃描?！爱?dāng)然掃描速度越快，就會(huì)犧牲分辨力以及靈敏度。不過，我們正在嘗試用機(jī)器學(xué)習(xí)——比如快速人臉識(shí)別技術(shù)——來提升對(duì)缺陷檢測(cè)的高質(zhì)量成像。如果行之有效的話，我們就可以大大加快電子束的掃描速度，wafer級(jí)別的掃描就不需要1000束電子了，100束足矣?！盤hilippe Leray說道。機(jī)器學(xué)習(xí)的另一個(gè)用途是制造過程的控制。在集成電路的制造過程中，一片晶圓會(huì)經(jīng)過大量的設(shè)備，每一個(gè)步驟都由精細(xì)的參數(shù)來控制，以及原位檢測(cè)。這個(gè)過程中則會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。比如，等離子體刻蝕深度的檢測(cè)，我們需要觀察等離子體的光譜，而圖像和光譜包含的信息則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是“缺陷”或者深度。Philippe Leray說：“我們的想法是，在整個(gè)集成電路制造以及測(cè)量過程中，收集所有的數(shù)據(jù)來‘訓(xùn)練’設(shè)備找出規(guī)律。設(shè)備對(duì)缺陷的理解是通過大量的數(shù)據(jù)，計(jì)算并推測(cè)出關(guān)鍵尺寸（critical dimension， CD），或者發(fā)現(xiàn)不好的刻蝕。即使這些數(shù)據(jù)細(xì)微復(fù)雜到人力無法識(shí)別?！?/p>

隨機(jī)世界的認(rèn)知

其實(shí)這些測(cè)量方法已經(jīng)揭示了隨機(jī)失效的概率和曝光尺寸的關(guān)系：隨著尺寸的減小，失效概率幾乎是指數(shù)式的增長(zhǎng)，我們把這種關(guān)系叫做“隨機(jī)懸崖”（stochastic cliff）。對(duì)于密集結(jié)構(gòu)，有兩種失效：隨著線條距離和接觸孔的尺寸的減小，線條的橋連或者接觸孔的丟失兩種缺陷則會(huì)急劇增長(zhǎng)；而線條寬度或者接觸孔的距離的減小，線條斷裂或者接觸孔的重疊兩種缺陷會(huì)急劇增長(zhǎng)。對(duì)于比較稀疏的結(jié)構(gòu)，兩種失效機(jī)理都存在，但只有線條斷裂或者接觸孔丟失或造成實(shí)際缺陷。隨機(jī)懸崖不是唯一的問題。今年的SPIE先進(jìn)光刻會(huì)議，IMEC首次向我們展示了他們的發(fā)現(xiàn)：（橋連）缺陷的數(shù)量永遠(yuǎn)不會(huì)減小到零，而是達(dá)到一個(gè)最小的常數(shù)，我們稱之為瓶頸。這是一個(gè)很重要的發(fā)現(xiàn)，揭示了缺陷形成的另一種機(jī)理。

雖然這種瓶頸的機(jī)理暫未可知，但其后果是很嚴(yán)重的。能夠制造的尺寸一定要遠(yuǎn)離隨機(jī)懸崖，而且對(duì)于密集結(jié)構(gòu)兩個(gè)懸崖之間的無缺陷窗口會(huì)大大變小（見下圖a）。這是業(yè)界需要解決的問題。瓶頸現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使得“即使是在無缺陷窗口，也并不表明就沒有缺陷?！盤eter De Bisschop解釋道。

（a） 兩種隨機(jī)懸崖之間存在一個(gè)可能的無缺陷窗口

（b） 對(duì)于特定的L/S （line/space）橋連缺陷的數(shù)量不會(huì)減小到零

不僅僅是曝光劑量，光刻膠材料也是很重要的因素。IMEC在減少隨機(jī)失效和線條糙度度方面取得了一些新的進(jìn)展，他們通過順序滲透分析（SIS）——一種常用于定向自組裝（DSA）的現(xiàn)有技術(shù)——應(yīng)用到EUV光刻技術(shù)上，在光刻膠里面摻雜無機(jī)元素使其更堅(jiān)硬牢固，從而提高制作圖形的質(zhì)量。

“由于有眾多參數(shù)需要調(diào)整，應(yīng)該存在一個(gè)參數(shù)的‘最優(yōu)設(shè)置’。不過可能性更大的是，沒有一個(gè)參數(shù)設(shè)置可以完全解決問題。”Peter De Bisschop評(píng)論道，“基本上，我們希望在合理的時(shí)間內(nèi)得到這些最優(yōu)工藝參數(shù)。但很多設(shè)備有幾百種可能的參數(shù)設(shè)定組合，人力難以做到。這顯然是機(jī)器學(xué)習(xí)可以發(fā)揮的另一個(gè)領(lǐng)域?！盤hilippe Leray 道。

對(duì)失效的研究

對(duì)失效機(jī)理的理解可以更好的應(yīng)對(duì)缺陷，了解工藝參數(shù)對(duì)失效概率的具體影響。EUV波長(zhǎng)很短，高能光子轟擊光刻膠，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。對(duì)這些化學(xué)反應(yīng)的研究可以有助于開發(fā)光刻膠以及底層吸收層。

IMEC和KM實(shí)驗(yàn)室近期開始合作深入研究EUV光刻技術(shù)的基礎(chǔ)物理，使得在阿秒到皮秒級(jí)別研究EUV光子和光刻膠的化學(xué)反應(yīng)成為可能。目前，暫無其他實(shí)驗(yàn)室有此實(shí)力。

EUV光子和光刻膠化學(xué)反應(yīng)的研究對(duì)于減少隨機(jī)失效至關(guān)重要

另一種揭露EUV光刻技術(shù)神秘面紗的方法是探測(cè)并量化光刻反應(yīng)過程中有哪些分子被釋放。光刻膠在吸收光子之后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，光刻膠分子分解并形成新的化學(xué)鍵，另一部分物質(zhì)不穩(wěn)定從而逃逸。光刻膠上方的探測(cè)器可以探測(cè)到這部分逃逸分子并通過其質(zhì)量分析其成分。這部分化學(xué)產(chǎn)物在曝光之前并不存在，因而他們的產(chǎn)生可以揭示光刻化學(xué)反應(yīng)過程。另外，通過探測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物，可以了解曝光劑量或者光刻膠材料對(duì)光刻化學(xué)反應(yīng)的影響。這樣，我們可以將光刻光學(xué)反應(yīng)對(duì)隨機(jī)失效類型或者概率的利弊聯(lián)系起來。

“當(dāng)然，這些策略沒有一個(gè)能完全揭示隨機(jī)世界的面貌。但每一種方法都可以讓我們對(duì)隨機(jī)世界多一點(diǎn)了解，最后我們期望有一天，能完全了解隨機(jī)世界的機(jī)理。”Peter De Bisschop總結(jié)道。