【半导光电】下一代EUV光刻机带来的新挑战

High-NA EUV 有望将芯片制造工艺缩小到埃级别，为具有更高晶体管数量的芯片和全新的工具、材料和系统架构浪潮奠定基础。

在年初的 SPIE 高级光刻会议上，英特尔光刻硬件和解决方案总监 Mark Phillips 重申了公司打算在 2025 年将该技术部署到大批量生产中。虽然许多观察家认为这个时间表是激进的，但该公司可能希望避免（或至少延迟）对 EUV 多重图案工艺的需求。

高数值孔径 EUV 系统的好处可以用一个词来概括——分辨率。将孔径增加到 0.55，而不是当前曝光系统中的 0.33，可以成比例地提高可实现的临界尺寸，相对于 0.33 NA 系统的 13nm，0.5 NA EUV 可能低至 8nm。

不幸的是，目前还不存在量产的高数值孔径 EUV 光刻机。在今年五月于 SPIE 上展示的工作中，ASML 和蔡司报告说，虽然开发正在按计划进行，但预计要到 2023 年才能安装第一个系统。从 0.33NA 到 0.55 NA 的转变没有最初引入 EUV 光刻那么激进，但光刻生态系统不仅包括对扫描仪的更改。为了在 2025 年之前将High NA 系统引入批量生产，该行业将需要改进光掩模、光刻胶叠层和图案转移工艺的其他方面。

图 1：正在组装到系统框架中的 EUV 光学器件。

来源：蔡司

根本的挑战是较大的数值孔径会导致 EUV 光子以较低的入射角撞击晶圆，从而降低焦深。这种较低的角度会加剧 3D 掩模效果，并使光刻机中潜像的形成复杂化。

图 2：EUV 掩模的横截面。

虽然光学光刻（365nm 至 193nm）系统使用折射光学器件，但 EUV 系统依赖于反射光学器件。入射的 13.5nm 波长光子撞击多层镜——目前由钼/硅双层组成，并以所需的角度反射回来（见图 2）。光掩模通过在反射光子的路径中放置一个吸收层来创建其图案。

虽然将光罩可视化为顶部带有二维吸收器图案的平面镜很方便，但它实际上是一个三维物体。反射平面位于多层内部，当前材料的深度约为 50nm。吸收层具有厚度、折射率 (n) 和消光系数 (k)，所有这些都会影响其产生的强度分布。

在更高的孔径下，光子以更浅的角度撞击掩模，相对于图案尺寸投射更长的阴影。“黑暗”、完全被遮挡的区域和“明亮”、完全曝光的区域之间的边界变为灰色，从而降低了图像对比度。

这些影响并不新鲜。自 90nm 节点以来，相移掩模( Phase shift masks)已用于生产。2020 年， Fraunhofer Institute、Imec、ASML和蔡司的 Andreas Erdmann 及其同事系统地分析了 EUV 掩模材料对成像行为的影响。但是，即将采用的High NA EUV 系统将 3D 掩模效果推到了最前沿。有几个选项可用于降低有效吸收器(absorber)高度，从而降低 3D 掩模效果的影响。

第一个也是最简单的方法是减小吸收材料的厚度。Imec 高级图案化项目总监 Kurt Ronse 表示，由High NA EUV 图案化的第一层可能具有相对宽松的尺寸，约为 28nm。简单地降低吸收器高度应该提供足够的对比度。然而，随着功能不断缩小，制造商将需要重新考虑吸收材料。Erdmann 指出，目前使用的钽基吸收体的光学特性相对较差。降低吸收体的折射率将改善剂量-尺寸特性，在恒定曝光剂量下实现更小的特征。同时，增加消光系数会减少三维效应。

不幸的是，n和k不是掩模制造商可以简单地在工艺刻度盘上设置的独立参数。它们是材料属性，因此彼此相关，并与吸收器的其他特性相关。为了采用新材料，掩模制造商必须能够蚀刻它并修复缺陷。目前用于钽吸收体的反应离子蚀刻是一些候选材料的一种选择，但新的吸收体仍可能需要新的蚀刻工艺和新的化学物质。接触层和金属层有不同的要求，可能需要不同的吸收体。Ronse 说，此时还没有出现共识选择。为了继续进行工艺开发，掩模制造商需要行业的额外指导。

甚至在更远的地方，具有不同消光系数的新多层mask blank 可以减少反射平面的有效深度。例如，用钌代替钼将提供 40nm 的反射深度。不过，更换多层材料比更换吸收器还要复杂。新的mask blank 将需要达到相同或更好的厚度均匀性和缺陷规格。Ronse 说，尽管最终可能有必要，但新的多层不会很快出现。

掩模制造方面的另一个变化是从可变形状光束 (VSB:variable shaped beam) 电子束掩模写入器到多光束掩模写入器。“多光束写入器更适合 EUV，因为曝光光刻胶需要更多的能量，并且会产生加热问题。所以你希望能够使用多光束，即使是简单的形状。但多光束还可以在掩模上制造曲线形状，而不会造成写入时间损失，” D2S首席执行官 Aki Fujimura 说。

在穿过光掩模的吸收器图案后，EUV 光子遇到晶圆及其photoresist blanket。减小的焦深使得同时保持光刻胶叠层的顶部和硅片平面聚焦变得更加困难。如果焦点错误使相邻特征靠得太近，则间隙无法清除并出现桥接缺陷。如果特征之间的空间太大，则所得到的光刻胶特征太薄并在其自身重量下塌陷。

在 SPIE 上展示的工作中，Tokyo Electron蚀刻产品组的主管 Angélique Raley 解释说，如果没有足够的聚焦深度，两种方案之间已经很窄的工艺窗口可能会完全消失。降低光刻胶厚度既可以提高焦点，又可以降低图案崩塌的风险，但也会带来额外的挑战。

首先是较薄的光刻胶更容易产生随机缺陷。EUV 曝光源提供的光子数量已经很低，较薄的光刻胶吸收确实到达的光子的能力较差。表现为线边缘粗糙度的随机缺陷已经是导致 EUV 良率损失的主要因素。

通常，图案转移工艺依赖于复杂的叠层，包括光刻胶、促进粘附的底层和硬掩模层。初始步骤在转移到晶圆之前复制硬掩模中的光刻胶图案。如果曝光和未曝光的光刻胶特征之间的对比度较差，则可能需要一个初步的“descumming”步骤。在残留物去除和图案转移蚀刻过程中，较薄的光刻胶更容易受到腐蚀。这些担忧并不新鲜。一段时间以来，业界一直在研究替代光刻胶化学物质。尽管如此，还没有出现普遍接受的传统化学放大光刻胶的继任者。

在化学放大的光刻胶中，入射光子激活光酸产生剂分子，每个分子产生多种光酸。光酸反过来使光刻胶的主链聚合物去保护，使其可溶于显影剂。然而，CAR 对 EUV 的吸收能力很差，需要相对较厚的层来捕获足够的剂量。

一种有希望的替代品是金属氧化物光刻胶，它使用入射光子来分解氧化锡纳米团簇。氧化物簇可溶于显影剂中，而金属锡则不溶于。这些是负性光刻胶。暴露使材料不溶。金属氧化物本质上更耐蚀刻并吸收更多的 EUV 光子，从而使它们能够以更薄的层实现可比的结果。不幸的是，接触孔，可能是高数值孔径 EUV 曝光的第一个应用，需要正色调光刻胶。

然而，如上所述，图案转移叠层比光刻胶更多。底层材料，通常是旋涂玻璃或碳化硅，有助于促进光刻胶粘附。Raley 证明，这些材料可以扩大桥接和图案塌陷缺陷之间的工艺窗口。

然而，底层也增加了必须去除以将图案转移到硬掩模的整体厚度。它需要与光刻胶一起变得更薄。然而，杜邦公司的 Jae Hwan Sim 及其同事表明，底层密度取决于厚度。薄的、不够致密的底层可以允许光酸扩散。这种行为会去除光刻胶底部的光酸，导致显影不完全。

也就是说，随着数值孔径的增加，景深比 CD 下降得更快。

由于景深较小，光刻胶必须更薄，以确保曝光特征的顶部和底部都清晰可见。然而，根据 imec 的 Arame Thiam 及其同事的说法，近 30% 的原始光刻胶厚度会在显影步骤中损失。同时，米勒说，被图案化的特征更高更窄。可用的光刻胶较少，但特征需要通过更长的蚀刻工艺来保护。较薄的底层和硬掩模层可能有助于减少初始硬掩模蚀刻必须去除的材料量。

制造商正在考虑使用金属氧化物光刻胶，部分是为了提高光刻胶和被去除材料之间的蚀刻选择性。传统的等离子体蚀刻具有众所周知的各向异性，例如以不同的速率蚀刻更窄的特征和更宽的特征，或者以与密集特征不同的速率蚀刻孤立的特征。然而，这些是依赖于模式的，而不是真正的化学选择性的结果。更好的化学选择性提高了曝光和未曝光区域之间的对比度。

随机变化会影响设备性能。线边缘粗糙度、线宽粗糙度、局部CD变化等是由于光刻胶和光刻胶工艺中的不均匀性造成的。在某种程度上，他们测量了光刻胶成分分子的固有尺寸。如果特征缩小而分子尺寸保持不变，Thiam 说，线边缘粗糙度（通常指定为 CD 的 10% 或更小）可能会变得过大。干式光刻胶和金属氧化物光刻胶的核心分子小于化学放大型光刻胶使用的聚合物链，这很有帮助。另一方面，由于光酸扩散，CAR 特征趋于模糊。这种模糊会降低整体分辨率，但可以消除粗糙度。

尽管随机变化会影响设备性能，但 IBM Research 的 Jennifer Church 和 Luciana Meli 解释说，它不一定与良率相关。在 imec 的测试中，Thiam 的团队发现三种不同的照明（illumination）方案给出了相似的 LER 结果，但器件良率不同。制程学习缓慢的部分原因是准确的良率分析需要对开路和短路进行电气测试。

图 3：使用单次曝光 EUV 光刻技术制造的纳米片晶体管无法从自对准图案化中受益。垂直蚀刻轮廓需要仔细优化蚀刻工艺。资料来源：IBM 研究院

虽然较小的特征更容易出现印刷缺陷和随机变化，但两者的原因不同。根据 William Hinsberg 及其同事的说法，当预期模式的某个元素缺失时，就会出现随机缺陷。一条线可能有中断，或者相邻线之间有一座桥。接触孔可能会丢失或与其邻居合并。出现这些限制良率的缺陷是因为缺陷位置的光刻胶溶解度与设计预期的不同。

在化学放大型光刻胶中，如果photoacid generator和quencher在给定位置处于平衡状态，则 photoacid reaction会使所需数量的光刻胶分子去保护，然后反应停止。如果存在过量的光酸，无论是因为光刻胶的不均匀性还是入射光子分布的随机性，都会发生比预期更多的去保护，并且曝光的光刻胶区域比预期的要大。（在positive tone resist中，这意味着掩蔽层和蚀刻特征将比预期的要小。）使用过量的quencher，会发生相反的情况。随着光子、photoacid generator和quencher的平均数量下降，它们分布的标准偏差上升。缺陷变得更有可能。

虽然对随机缺陷的讨论通常集中在较小的横向尺寸上，但重要的是要记住光刻胶层是三维的。对于给定的特征尺寸，较薄的光刻胶包含较少的 PAG 和猝灭剂分子，并且更容易受到随机缺陷的影响。

其中c是光速，h是普朗克常数。

业界将 13.5 nm 光子定义为“极紫外”，但它们实际上属于软 X 射线范围，携带的能量是 193 nm ArF 深紫外光子的 10 倍以上。它们可以穿过光刻胶层，激发二次电子或在下面的底层引发化学反应。底层和光刻胶之间的光子驱动相互作用会降低曝光和未曝光区域之间的对比度。暴露区域的不完全清除会导致晶圆特征的不完全蚀刻和潜在的良率损失。

为了最大限度地减少二次反应并最有效地利用可用的光子，光刻胶设计者试图增加吸收。

Lam Research 的 Mohammed Alvi 及其同事估计，Lam 的干式光刻胶吸收的光子数量是化学放大型光刻胶的三到五倍。[但是增加吸收会减弱光刻胶层顶部和底部之间的曝光强度。理想的光刻胶需要恰到好处的厚度——足够厚以保护底层免受 EUV 光子和掩膜区域的侵蚀，但又足够薄以促进整个光刻胶层的完全、均匀曝光。

因为光刻胶层直接吸收 EUV 光子，所以它是图案转移叠层中最重要的一块。正如 Chris Mack 所说，光刻胶捕获的区域图像是唯一可用于流程的设计师意图指示。尽管如此，纽约奥尔巴尼 IBM 研究院的工艺技术总监 Nelson Felix 解释说，单独优化光刻胶层是不够的。堆栈的其余部分提供了许多可调参数，具有积极和消极的后果。曝光后烘烤的优化可以通过加速或减速脱保护反应来帮助提高曝光宽容度。

层之间的不相容性会导致缺陷，或者底层可以帮助弥补光刻胶的缺点。相对于旋涂光刻胶，Alvi 指出 Lam 的干法光刻胶方案有助于非常快速的工艺学习。初级光反应材料的浓度可以在晶圆厂通过沉积参数进行调整。干式显影过程同样灵活。

随着光刻胶层变得更薄，整体光刻胶的特性变得不那么重要，并且光刻胶（暴露与否）与显影剂和底层之间的界面变得更加重要。例如，图案塌陷取决于光刻胶、显影剂和底层材料之间界面的粗糙度、纵横比和表面能。当capillary压力超过光刻胶/底层界面处的粘附功时，图案就会塌陷。减小线间距会增加capillary压力，增加纵横比也会增加。由于没有capillary作用，干式显影工艺降低了图案塌陷的风险。

然而，光刻胶化学受到光学和抗蚀刻性要求的限制。优化其表面能也很困难。相反，它会落到底层，为光刻胶粘附提供均匀的表面并介导光刻胶的去除。

随着制造商试图开发高数值孔径的 EUV 曝光工艺，对整个光刻胶叠层进行共同优化的需求为传统的化学放大型光刻胶提供了优势。CAR 光刻胶以数十年的过程学习和协同优化为后盾。菲利克斯说，目前，CAR“已经实现了我们这一代人的目标”。它是现有技术，背后有完善的生态系统。尽管如此，高 NA EUV 曝光仍然是一个阶梯式变化。对于下一代，金属氧化物光刻胶至少可以达到同等水平，前提是工艺堆栈的其余部分符合要求。

 来源：光刻人的世界