自從英特爾將焦點放在其從 ASML接收第一個 0.55 NA EUV 光刻機以來，High-NA EUV 就受到了很多關(guān)注，而第一臺High NA設(shè)備也有望于2025年到來。但眾所周知的是，新一代光刻機有隨機缺陷問題。還有許多與 EUV 光在 3D 中通過掩模拓撲傳播相關(guān)的問題，其中陰影是對這種現(xiàn)象的最簡單描述。
一位 EDA 供應(yīng)商已經(jīng)披露，事實上，EUV 正在使用多團進行實踐，這違背了它最初的意圖。因此，隨著High NA EUV的進入，單一圖案EUV的前景使其成為一個非常有吸引力的選擇。與當(dāng)前的 EUV 系統(tǒng)相比，我們可以期待高 NA EUV 系統(tǒng)有哪些變化？
高數(shù)值孔徑的改進
High NA 將數(shù)值孔徑 （NA） 從當(dāng)前值 0.33 增加到 0.55。第一個好處是這將最小光斑尺寸減小到其當(dāng)前值的 60%。標(biāo)稱值由瑞利準(zhǔn)則給出，即 0.61*標(biāo)稱波長 （=13.5 nm）/NA，其中 0.33 NA 為 25 nm，0.55 NA 為 15 nm。這當(dāng)然有助于提供更清晰的圖像，即空間中聚焦點的經(jīng)典投影圖像。實際上，由于光子數(shù)量有限，并且被電子和光刻膠中的化學(xué)物質(zhì)模糊，圖像噪聲更大。
高數(shù)值孔徑系統(tǒng)的第二個好處是增加了 Y 方向的縮?。◤?4X 到 8X）。這具有減少角度擴展的效果。保持原來的 4X 會導(dǎo)致角度范圍過大。這有助于減少通過前面提到的掩碼的 3D 傳播的影響。此外，由于X-縮小是相同的，通過狹縫的入射平面的方位角旋轉(zhuǎn)范圍也減小。掩模上的照明正弦比 （kx/4）/（ky/8） = 2 kx/ky 減半為晶圓上的 kx/ky，而對于當(dāng)前的成像系統(tǒng)，相同的比率 （kx/4）/（ky /4） 在掩膜上保留為晶圓上的 kx/ky。因此，這提高了通過狹縫的照明一致性。
High-NA 的并發(fā)癥/權(quán)衡
轉(zhuǎn)向更高的 NA 存在三個問題。第一個應(yīng)該為從業(yè)人士所熟知，因為它是焦深的減少。雖然 0.33 NA 13.5 nm 波長提供 120 nm 的焦深，但將 NA 增加到 0.55 會將焦深降低到 41 nm 的三分之一。
第二個問題是 8 倍 Y 縮小的結(jié)果。由于 EUV 掩模 104 毫米 x 132 毫米的場大小沒有變化，硅片上的掃描場必須從 26 毫米 x 33 毫米減半（在 Y 方向）到 26 毫米 x 16.5 毫米。如果芯片圖案最初占據(jù)了 26 毫米 x 33 毫米區(qū)域的一半以上（通常情況下，即使是 3 x 3 裸片，例如），它會在中途被切碎，導(dǎo)致需要將兩個部分縫合在一起兩個mask的曝光。因此，雙曝光圖案可能會蔓延，破壞單圖案場景。
第三個問題絕對是一個問題，因為在以前的光刻系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該不惜一切代價避免它。
在高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)中使用更大的鏡子導(dǎo)致了不可避免的遮擋，其中一個鏡子無法避免阻擋另一個。這具有基本的光學(xué)后果，尤其是在較低空間頻率下的調(diào)制減少 。在某些情況下，影響可能非常劇烈。在下面的交錯 40 nm x 70 nm 陣列示例中，衍射級之一被 0.55 NA 系統(tǒng)的瞳孔中的中心遮光物所阻礙。
在這個例子中，它會導(dǎo)致 y 方向的空間頻率加倍，這是一個基本的成像誤差。y 方向上的基本空間頻率的所需調(diào)制在該模式應(yīng)該保留時被消除。由于瞳孔的大部分被禁止照明區(qū)域（以粉紅色顯示）覆蓋，因此這很難與通常需要更靈活照明的其他圖案相結(jié)合。對于相同交錯陣列模式的較大間距，這些區(qū)域會擠得更近，靈活性更差。這是高NA EUV用戶必須特別注意的事情。
不，隨機指標(biāo)不會消失
使用更高的 NA 減小了光斑尺寸，因此，圖像像素尺寸也有效地減小了。我們還希望減少光刻膠模糊以利用更高分辨率。因此，在相同的劑量和 k1（特征尺寸歸一化為波長/NA）下，相同數(shù)量的邊緣像素中的光子數(shù)量將繼續(xù)減少。這意味著 EUV 成像的隨機問題將在特征邊緣持續(xù)存在。
下一代的EUV光刻，準(zhǔn)備好了嗎？
從開發(fā)到大批量制造成功過渡到新的制造工藝需要工藝工程師、設(shè)備制造商，尤其是化學(xué)品供應(yīng)商之間的集體協(xié)作。特別重要的是光刻膠材料的化學(xué)性質(zhì)以及它們與代表每個掩模層圖案數(shù)據(jù)的曝光光子/電子的相互作用。
未來工藝節(jié)點向高數(shù)值孔徑（“high NA”）光刻的過渡不僅需要來自系統(tǒng)供應(yīng)商（例如 ASML）的巨大工程創(chuàng)新，還需要對合適的光刻膠材料進行高級開發(fā)。
在最近的 VLSI 2021 研討會上，來自英特爾組件研究小組的 James Blackwell 對即將到來High NA EUV 過渡的潛在光刻膠的選擇和優(yōu)化提供了極具洞察力的見解。
從他的演講中可以清楚地看出，尋找合適的光刻膠仍然是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域，必須與系統(tǒng)開發(fā)同時進行（使用 EUV 源而不是完整的掃描儀系統(tǒng)）。本文總結(jié)了演講的亮點，特別關(guān)注了使High NA EUV 實現(xiàn)大批量制造所面臨的挑戰(zhàn)。
背景
在過去十年中，我們行業(yè)的一個分水嶺時刻是引入了多圖案光刻（multipatterning lithography），以實現(xiàn)關(guān)鍵層上設(shè)計間距的持續(xù)縮放。為了在繼續(xù)使用 193nm 波長的浸漬曝光 （193i）的前提下實現(xiàn)小于 ~80nm 的間距，我們有必要將掩模數(shù)據(jù)劃分為不同的子集。Shapes用子集名稱“colored”——例如雙圖案光刻的“A”和“B”掩模數(shù)據(jù)。工藝設(shè)計套件布局規(guī)則得到擴展，以反映對用于對全層數(shù)據(jù)進行子集化的算法支持。設(shè)計規(guī)則驗證功能已擴展為執(zhí)行“循環(huán)”檢查，以確認將數(shù)據(jù)分解為可解析形狀的數(shù)據(jù)會在掩模庫中成功。例如，循環(huán)分解錯誤如下所示。
全層圖案化（full layer patterning）是通過針對每個掩模子集的一系列“光刻”步驟實現(xiàn)的——例如，LE-2、LE-3 和 LE-4 分別指定了雙重、三重和四重圖案化的工藝流程。
此外，每個多圖案層的掩模到掩模重疊容差（mask-to-mask overlay tolerance）引入了新的工藝變化來源。同一金屬層上相鄰導(dǎo)線之間的距離以及它們的耦合電容隨 LE-LE 工藝窗口而變化。
多重圖案的演變也導(dǎo)致制造成本增加；以摩爾定律為指導(dǎo)的“每晶體管成本降低”趨勢減弱。如上所述，隨著在連續(xù)工藝節(jié)點中繼續(xù)采用多重圖案模式，LE-2 演變?yōu)?LE-3 和 LE-4，進一步導(dǎo)致更高的成本，如下所示。
（1）極紫外光
經(jīng)常閱讀 SemiWiki 的讀者無疑熟悉波長為 13.5nm 的極紫外 （EUV） 光刻系統(tǒng)的最新發(fā)展，以取代 193i 光刻。為了應(yīng)對多圖案成本上升的趨勢，EUV 系統(tǒng)在曝光吞吐量（每小時晶圓數(shù)）、曝光強度和系統(tǒng)正常運行時間方面已達到生產(chǎn)狀態(tài)。如上圖所示，業(yè)界正在積極開展研發(fā)工作，以發(fā)布第二代 EUV 系統(tǒng)。該系統(tǒng)將在透鏡路徑中加入更高的數(shù)值孔徑 （NA = 0.55），從而實現(xiàn)更精細的間距分辨率，并再次重新校準(zhǔn) EUV 多重圖案化與第一代 NA=0.33 設(shè)備的每層成本趨勢。
可以肯定的是，EUV 系統(tǒng)是一個工程奇跡。然而，EUV 光刻演化的一個經(jīng)常被低估的方面是相應(yīng)光刻膠材料的相應(yīng)開發(fā)工作。
?。?）光刻膠基礎(chǔ)知識
簡而言之，將涂有光刻膠的硅片選擇性地暴露于高能光子（或高能電子）會導(dǎo)致原始材料的化學(xué)鍵構(gòu)型發(fā)生變化。對于（正性）有機光刻膠聚合物（organic photoresist polymer），入射光子會導(dǎo)致“脫保護”（deprotection）化學(xué)反應(yīng)；隨后的步驟是將曝光的硅片浸入顯影劑中，從而溶解脫保護的聚合物。雖然每個新工藝節(jié)點的尺寸目標(biāo)更加嚴(yán)格，但基本目標(biāo)并沒有真正改變：
對光子波長/能量的高吸光度和選擇性 （E=h*f）：目標(biāo)是更低的光子劑量 （mJ/cm**2） 和更大的曝光寬容度
高對比度
化學(xué)反應(yīng)的低散射：對化學(xué)構(gòu)型差異的高顯影劑選擇性，目標(biāo)是減少顯影圖像的“線邊緣粗糙度”（line edge roughness“LER）
低粘度：易于光刻膠應(yīng)用；因為需要一層薄而均勻的 PR 層（在旋涂和預(yù)烘烤之后），因為 EUV 曝光的焦深（depth-of-focus ）非常小。
對晶圓基板表面的良好附著力
蝕刻步驟后易于去除光刻膠
對于最近的工藝節(jié)點，已經(jīng)引入了化學(xué)放大抗蝕劑 （chemically-amplified resist ：CAR） 材料。CAR 組合物在抗蝕劑中引入了”光酸產(chǎn)生劑“（photoacid generator：PAG）。簡單來說，光酸（photoacid）是一種在吸收光時釋放質(zhì)子 （H+） 的分子，稱為光解離（photodissociation）。曝光后，隨后的加熱步驟會釋放出酸，該酸充當(dāng)聚合物裂解的催化劑。
酸在脫保護過程中不會被消耗，而是繼續(xù)通過抗蝕劑擴散以提供（數(shù)百個）反應(yīng)，從而放大光子能量劑量的影響。抑制劑或猝滅劑（nhibitor or quencher）化合物也被結(jié)合到 CAR 中，連接到抗蝕劑聚合物鏈。這種酸溶性抑制劑減輕了酸擴散并改善了溶解對比度，從而減少了產(chǎn)生的 LER。
與 EUV 光刻的低焦深相關(guān)的薄光刻膠膜厚度，結(jié)合減少劑量以提高系統(tǒng)吞吐量/正常運行時間的目標(biāo)，意味著 EUV 曝光是一個隨機過程，事件中的（隨機）變化光子/單位面積密度。
聚合物-CAG-抑制劑組分密度的不均勻性是另一個變化來源。過渡到薄有機光刻膠薄膜的另一個困難折衷是需要對圖案化后蝕刻（或注入implant）工藝步驟足夠堅固。較厚的 PR 層對后續(xù)步驟更堅固，但在較低的曝光劑量下更難解決。如下圖所示，高縱橫比顯影的 PR 薄膜會出現(xiàn)”圖案塌陷“（pattern collapse）。
顯影液的表面張力會破壞相鄰的高 PR 線之間的間距。
因此，工藝工程師專注于改進 EUV 計量，以發(fā)現(xiàn)光刻缺陷機制——例如，未完全開發(fā)的線路和通孔。EUV 演進中強烈相互依賴性的另一個跡象是半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商專注于快速、在線光刻檢測。
抗High NA EUV（Resists for High NA EUV）
James 提供的數(shù)據(jù)是英特爾、光刻膠供應(yīng)商、學(xué)術(shù)機構(gòu)和研究實驗室密切合作的結(jié)果。下圖說明了由High NA EUV 實現(xiàn)的光刻間距的目標(biāo)轉(zhuǎn)變，以及需要更薄的抗蝕劑涂層以減少焦深。
在高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)可用之前，材料工程師如何評估潛在的光刻膠材料？James 描述了英特爾專門為光刻膠研究開發(fā)的系統(tǒng)，如下圖所示。
EUV 源連接到wafer chamber。James 重點介紹了添加到系統(tǒng)中的傅立葉變換紅外光譜 （FTIR） 檢測功能。（FTIR 使用材料在紅外光譜曝光中的吸收來提供材料分析；它可以提供有關(guān)反應(yīng)物和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物濃度的實時數(shù)據(jù)。）該系統(tǒng)使英特爾能夠深入了解光刻膠對 EUV 曝光的響應(yīng)。
EUV 光刻膠研發(fā)的一個獨特方面是使用金屬氧化物抗蝕劑化學(xué)作為傳統(tǒng)聚合物材料的替代品的潛力。這些”無機“抗蝕劑具有高 EUV 吸收率和高抗蝕刻性，可用于后續(xù)加工。下圖提供了金屬氧化物與有機抗蝕劑化學(xué)的簡化比較。
James 描述了使用 Hf-OC 的金屬氧化物抗蝕劑的一種選擇。（行業(yè)中也正在積極研究 Ti 和 Zr 的氧化物。）抗蝕劑的化學(xué)反應(yīng)順序如下所示 - FTIR 分析證實反應(yīng)過程中存在 CO2，Hf-OC 簇的交聯(lián)為結(jié)果。
請注意，曝光后的cross-linking 不同于前面描述的光解（photodissociation），其中溶解度”開關(guān)“（switch）現(xiàn)在與負抗蝕劑相關(guān)。
James 還描述了使用有機 CAR 抗蝕劑進行 EUV 曝光的結(jié)果。建議的抗蝕劑（加 PAG 加抑制劑）化學(xué)的一個例子，以及相應(yīng)的對比與劑量曲線如下所示。
如前所述，抗蝕劑組合物的不均勻性導(dǎo)致顯影圖像的變化增加。James 描述了英特爾團隊為評估抗蝕劑的均勻性而進行的實驗，如下圖所示。
在這種情況下，二次離子質(zhì)譜 （secondary ion mass spectroscopy：SIMS） 用于分析聚焦入射離子束大小的薄膜成分，并聚集大量樣品以評估 PR 異質(zhì)性。
用 James 的話來說，”這種 SIMS 方法提供了數(shù)據(jù)來指導(dǎo)我們進行化學(xué)變化，從而提高圖案均勻性。需要更好的分析方法來改進 EUV 抗蝕劑設(shè)計，以應(yīng)對High NA EUV 帶來的挑戰(zhàn)——例如用于金屬氧化物抗蝕劑的 SIMS 和 FTIR。而且，與供應(yīng)商的密切合作至關(guān)重要?！?/p>
總結(jié)
高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)的引入將是解決與 EUV 多重圖案相關(guān)的成本問題的關(guān)鍵步驟。然而，正如英特爾在 2021 年 VLSI 研討會上的演講所表明的那樣，為了滿足相應(yīng)的光刻膠材料要求，特別是解決有機材料與金屬氧化物材料之間的權(quán)衡問題，顯然還有大量的開發(fā)（和資格認證）?？纯床⑿星蚁嗷ヒ来娴墓饪滔到y(tǒng)和光刻膠技術(shù)如何發(fā)展將會非常有趣。