極紫外（EUV）光刻新挑戰(zhàn) 光刻膠只是其一

隨機(jī)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(shù)正在接近生產(chǎn)，但是隨機(jī)性變化——又稱(chēng)為隨機(jī)效應(yīng)正在重新浮出水面，并為這項(xiàng)期待已久的技術(shù)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。

GlobalFoundries、英特爾、三星和臺(tái)積電希望將EUV光刻技術(shù)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(jī)、光源、光刻膠和掩膜。最近，行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)布關(guān)于量子隨機(jī)效應(yīng)的警報(bào)，這種現(xiàn)象會(huì)引起光刻圖案隨機(jī)變化。

有些組件已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，而有些則發(fā)展緩慢。事實(shí)上，EUV團(tuán)隊(duì)首次將光刻膠及其相關(guān)問(wèn)題列為EUV的最大挑戰(zhàn)，超過(guò)了電源。經(jīng)過(guò)多年的推遲，EUV光源功率終于滿(mǎn)足了大批量生產(chǎn)（HVM）的要求。

光刻膠是用來(lái)制作圖案的光敏聚合物，它是造成隨機(jī)性效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)字?。根?jù)定義，隨機(jī)效應(yīng)描述了具有光量子隨機(jī)變化的事件。它們是不可預(yù)測(cè)的，沒(méi)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(xué)反應(yīng)。但是對(duì)于EUV光刻膠而言，由于量子非定域效應(yīng)，每個(gè)或多個(gè)反應(yīng)期間可能出現(xiàn)新的不同的反應(yīng)。因此EUV容易發(fā)生涉及隨機(jī)效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，該行業(yè)將隨機(jī)性主要?dú)w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(huì)出現(xiàn)隨機(jī)變量。?

隨機(jī)效應(yīng)并不新鮮。事實(shí)上，這一現(xiàn)象多年來(lái)一直困擾著EUV團(tuán)隊(duì)。眾所周知，隨機(jī)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光刻圖案的變化。行業(yè)一直在努力解決這個(gè)問(wèn)題，但人們要么低估了問(wèn)題，要么沒(méi)能及時(shí)解決問(wèn)題，要么兩者兼而有之。

新情況是，行業(yè)終于迎來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題。一顆先進(jìn)的邏輯芯片集成了十億個(gè)甚至更多的微小通孔。 如果EUV光刻過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，芯片可能會(huì)遭受由于隨機(jī)效應(yīng)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(huì)因?yàn)橐粋€(gè)觸點(diǎn)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(diǎn)潛在的由隨機(jī)性引發(fā)的缺陷。事實(shí)上，EUV可能出現(xiàn)在7nm工藝節(jié)點(diǎn)。但在5nm甚至是7nm工藝節(jié)點(diǎn)的情況下，芯片制造商可能無(wú)法避免這些和其他問(wèn)題，除非行業(yè)出現(xiàn)一些新的突破。GlobalFoundries高級(jí)研究員兼高級(jí)技術(shù)研究總監(jiān)Harry Levinson表示：“公平地講，我們的行業(yè)非常樂(lè)觀地看待我們向EUV光刻前進(jìn)的方向。我們正準(zhǔn)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(shù)，抵抗隨機(jī)效應(yīng)絕對(duì)是最重要的問(wèn)題之一?！?/p>

無(wú)論節(jié)點(diǎn)如何，EUV隨機(jī)效應(yīng)都為芯片制造商、晶圓廠工具供應(yīng)商和IC設(shè)計(jì)團(tuán)體帶來(lái)了麻煩。西門(mén)子公司DFM項(xiàng)目總監(jiān)David Abercrombie表示：“從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，隨機(jī)效應(yīng)確實(shí)是隨機(jī)的，因?yàn)槟銦o(wú)法預(yù)測(cè)變化的位置和數(shù)量。因此，沒(méi)有系統(tǒng)的方法可以說(shuō)一個(gè)特定的布局特征應(yīng)該在這個(gè)區(qū)域還是在另一個(gè)區(qū)域中進(jìn)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(shè)計(jì)規(guī)則約束以外，完全沒(méi)有辦法在設(shè)計(jì)過(guò)程中補(bǔ)償隨機(jī)效應(yīng)影響?！?/p>

作為回應(yīng)，該行業(yè)正在采取措施解決一些問(wèn)題。其中包括：

? 供應(yīng)商正在改進(jìn)EUV光刻膠。

? Applied Materials和ASML正在開(kāi)發(fā)一種新的電子束測(cè)量工具，承諾可以檢測(cè)出隨機(jī)性缺陷。此外，創(chuàng)業(yè)公司Fractilia已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種方法來(lái)輔助測(cè)量。

? 然后，通過(guò)這些新的測(cè)量數(shù)據(jù)，芯片制造商請(qǐng)求有競(jìng)爭(zhēng)力的晶圓廠工具供應(yīng)商進(jìn)行合作，并一起對(duì)信息進(jìn)行整合。

　　為什么是EUV？

　　芯片制造商需要EUV，因?yàn)槭褂媒裉斓墓饪碳夹g(shù)來(lái)繪制微小特征變得越來(lái)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(kuò)展到10nm和7nm工藝節(jié)點(diǎn)。這些技術(shù)是可行的，但是使用它們來(lái)實(shí)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(diǎn)/通孔，在今天的7nm工藝節(jié)點(diǎn)中，每層需要2到4個(gè)掩膜。但是，EUV每層只需要一個(gè)掩膜。

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

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

　　然而，挑戰(zhàn)遠(yuǎn)未結(jié)束。今天的193nm光刻機(jī)可以在250wph下不間斷運(yùn)行。然而，EUV的正常運(yùn)行時(shí)間徘徊在70％和80％左右。ASML產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Michael Lercel表示：“我們已經(jīng)證明我們可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率指標(biāo)。今年的重點(diǎn)是確保實(shí)現(xiàn)可用性。我們的目標(biāo)是達(dá)到90%以上的可用性?！?/p>

　　此外，EUV掩膜版保護(hù)薄膜還沒(méi)有準(zhǔn)備好?！氨∧ふ谶M(jìn)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(cè)試中，我們認(rèn)為它們甚至可以超過(guò)300瓦?！?/p>

　　光子計(jì)數(shù)

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

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

　　可用于EUV的化學(xué)放大型光刻膠經(jīng)歷類(lèi)似的過(guò)程之后會(huì)有不同的結(jié)果。IMEC先進(jìn)圖案部門(mén)主管Gregory McIntyre表示：“在EUV案例中，情況要復(fù)雜得多，而且不是很好理解。你要有更高能量的光子，它會(huì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生什么樣的化學(xué)反應(yīng)?！?/p>

　　另一種解釋是，當(dāng)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(huì)均勻分散。但是光刻膠的一點(diǎn)可能會(huì)吸收10個(gè)光子，而另一個(gè)點(diǎn)可能會(huì)吸收8個(gè)光子。這種不希望的結(jié)果被稱(chēng)為量子隨機(jī)效應(yīng)（量子漲落）。

　　圖1：隨機(jī)性圖像。?

　　在另一個(gè)例子中，假設(shè)EUV光在三個(gè)連續(xù)和單獨(dú)的事件中擊中光刻膠。在第一個(gè)事件中，光刻膠吸收10個(gè)光子。第二次吸收9個(gè)光子，第三次吸收11個(gè)光子。這種從一個(gè)事件到下一個(gè)事件的變化稱(chēng)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(shí)是不理想的。McIntyre表示：“隨著我們走向越來(lái)越小的特征尺寸，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)高斯分布開(kāi)始長(zhǎng)出一條尾巴，并且在一邊變得不對(duì)稱(chēng)。這種尾巴的增長(zhǎng)導(dǎo)致極不可能發(fā)生事件的可能性增加?！保S機(jī)漲落效應(yīng)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(diǎn)。

　　多年前，隨機(jī)效應(yīng)和散射噪聲并沒(méi)有出現(xiàn)在雷達(dá)屏幕上，但問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)在193nm光刻技術(shù)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(shù)官Chris Mack解釋說(shuō)：“如果觀察1nm2的面積，那么在整個(gè)曝光過(guò)程中，平均有97個(gè)光子會(huì)穿過(guò)該區(qū)域進(jìn)入光刻膠。但是如果觀察10nm2的面積，平均會(huì)有9700個(gè)光子。”

　　因此，根據(jù)Mack的說(shuō)法，當(dāng)有足夠數(shù)量的光子來(lái)生成一個(gè)圖案的時(shí)候，那么光子散射噪聲或隨機(jī)變異則只有1％。（在大量粒子統(tǒng)計(jì)情況下，量子漲落可以微不足道）

　　然而，EUV光子的每個(gè)光子的能量比193nm的光子高14倍。Mack表示：“這意味著，對(duì)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(gè)光子暴露在1nm2的區(qū)域，而EUV中只有7個(gè)光子。相對(duì)不確定性是光子數(shù)的平方根分之一。對(duì)于97個(gè)光子，這是+/-10%的不確定性。對(duì)于7個(gè)光子，不確定性為+/-40％?！?/p>

　　使得問(wèn)題復(fù)雜的是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征尺寸都要更小一些。當(dāng)你計(jì)算光刻過(guò)程中光子的數(shù)量時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這一點(diǎn)上的變化呈指數(shù)級(jí)上升。

　　這并不新鮮。多年來(lái)，Mack和其他人都警告說(shuō)：“EUV隨機(jī)效應(yīng)可能導(dǎo)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。”

　　LER會(huì)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(gè)節(jié)點(diǎn)的圖案中會(huì)占據(jù)更大的百分比。

　　圖3：線邊緣粗糙度（LER）

　　除了LER之外，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在還擔(dān)心芯片的其他部分，特別是觸點(diǎn)通孔。在操作中，EUV光刻機(jī)產(chǎn)生對(duì)接觸孔進(jìn)行圖案化的光子。但有時(shí)，這一過(guò)程并不完美，導(dǎo)致通孔中存在隨機(jī)性缺陷。這些缺陷表現(xiàn)為斷線或通孔合并，有時(shí)稱(chēng)為“通孔丟失和通孔接觸”。

　　圖4：隨機(jī)性失效和收縮工藝窗口

　　這些缺陷是災(zāi)難性的。Mack表示：“接觸孔是一個(gè)小點(diǎn)，你要放一些光子。但是如果只有少量光子，接觸孔有時(shí)會(huì)得到100個(gè)光子，有時(shí)會(huì)是80個(gè)，有時(shí)會(huì)是140個(gè)，結(jié)果就是接觸孔大小的變化?！?/p>

　　這些缺陷可能會(huì)在7nm工藝節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)，但它們更可能在5nm及更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)。Mentor的Abercrombie表示：“EUV中的隨機(jī)效應(yīng)實(shí)際上在CD控制的正常劑量/聚焦窗口上添加了隨機(jī)變化，以及額外的線邊緣粗糙度和光刻劑量變化。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，這意味著更少的工藝窗口，它可以轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的DRC設(shè)計(jì)規(guī)則和更少的工藝縮減?！?/p>

　　Abercrombie表示：“這使得以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的對(duì)策非常無(wú)效，因?yàn)槟銦o(wú)法預(yù)測(cè)在任何特定布局位置或配置中會(huì)發(fā)生什么情況，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行修改。事實(shí)上，由于隨機(jī)效應(yīng)可能會(huì)對(duì)目標(biāo)平均值產(chǎn)生正負(fù)偏差和LER影響，因此，根據(jù)情況在一個(gè)特定位置進(jìn)行修改可能造成的傷害跟益處一樣多。隨機(jī)效應(yīng)將主要成為決定哪些層將使用哪種光刻/多重曝光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證流程節(jié)點(diǎn)所需的面積和產(chǎn)量要求的重要因素。”