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高na EUV可能比看起来更近

工具即将到来,但先进的抗蚀剂和面具需要跟上步伐。

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高na EUV有望缩小至埃级,为晶体管数量更高的芯片以及一波全新的工具、材料和系统架构奠定了基础。

在最近的SPIE先进光刻会议上,英特尔光刻硬件和解决方案总监Mark Phillips重申了该公司在2025年大规模生产部署该技术的意图。虽然许多观察人士认为这一时间表过于激进,但该公司可能希望避免(或至少推迟)使用EUV进行多模式工艺的需求。

高na EUV系统的优点可以用一个词来概括——分辨率。将光圈增加到0.55,而不是目前曝光系统中的0.33,可实现的临界尺寸有一定比例的改善,相对于0.33 NA系统的13nm, 0.5 NA EUV可能低至8nm。

方程CD = k1*λ/NA

不幸的是,目前还没有量产高na EUV扫描仪。在上个月的SPIE上,阿斯麦和蔡司报告称,尽管开发正在进行中,但第一个系统安装预计要到2023年。从0.33 NA到0.55 NA的转变没有EUV光刻最初引入时那么激进,但光刻生态系统不仅仅包括扫描仪的变化。为了在2025年之前将高na系统投入批量生产,该行业将需要改进掩模、抗蚀剂堆栈和图案转移过程的其他方面。

图1:EUV光学系统被组装成一个系统框架。来源:蔡司

图1:EUV光学系统被组装成一个系统框架。来源:蔡司

最根本的挑战是,更大的数值孔径会导致EUV光子以更低的入射角撞击晶圆,从而减少对焦深度。这种较低的角度加剧了3D掩模效果,并使阻光剂中潜在图像的形成复杂化。

图2:EUV掩模的横截面。资料来源:Luong, V., Philipsen, V., Hendrickx, E., Opsomer, K., Detavernier, C., Laubis, C., Scholze, F., Heyns, M.,“Ni-Al合金作为替代EUV掩膜吸收剂,”应用。科学。(8), 521(2018)。(Imec,鲁汶大学,根特大学,PTB)

图2:EUV掩模的横截面。资料来源:Luong, V., Philipsen, V., Hendrickx, E., Opsomer, K., Detavernier, C., Laubis, C., Scholze, F., Heyns, M.,“Ni-Al合金作为替代EUV掩膜吸收剂,”应用。科学。(8), 521(2018)。(Imec,鲁汶大学,根特大学,PTB)

面具有厚度
光学光刻(365nm至193nm)系统利用折射光学,而EUV系统依赖于反射光学。入射的13.5nm波长光子撞击多层反射镜(目前由钼/硅双分子层组成),并以所需的角度反射回来(见图2)。掩模通过在反射光子的路径上放置吸收层来创建其模式。

虽然可以很方便地将面具想象成一个平面镜子,上面有二维吸收器图案,但它实际上是一个三维物体。反射面位于多层材料内部,在当前材料的深度约为50nm。吸收层有厚度、折射率(n)和消光系数(k),所有这些都影响它产生的强度分布。

在较高的光圈,光子以较浅的角度撞击掩模,相对于图案尺寸投下较长的阴影。“黑暗”,完全阻塞区域和“光明”,完全暴露区域之间的边界变成灰色,降低图像对比度。

这些影响并不新鲜。相移掩模自90nm节点以来已用于生产。2020年,安德里亚斯·厄德曼和他的同事在弗劳恩霍夫研究所ImecASML蔡司系统地分析了EUV掩膜材料对成像行为的影响。但是即将采用的高na EUV系统将3D蒙版效果推向了最前沿。有几种方法可以降低有效吸收器高度,从而降低3D遮罩效果的影响。

第一个也是最简单的是减少吸收材料的厚度。Imec的高级图案项目主管Kurt Ronse表示,高na EUV图案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就能提供足够的对比度。然而,随着功能的不断缩小,制造商将需要重新考虑减震器的材料。Erdmann指出,目前使用的钽基吸收器光学特性相对较差。降低吸收体的折射率将改善剂量-尺寸特性,在恒定的暴露剂量下实现更小的特征。同时,增加消光系数会降低三维效果。

不幸的是,n而且k不是独立的参数,掩模制造商可以简单地设置在工艺表盘上。它们是材料的特性,因此彼此相关,也与吸收器的其他特性相关。为了采用一种新材料,掩模制造商必须能够蚀刻它并修复缺陷。反应性离子蚀刻,目前用于钽吸收剂,是一些候选材料的选择,但新的吸收剂仍然可能需要新的蚀刻工艺和新的化学。接触层和金属层有不同的要求,可能需要不同的吸收剂。朗斯说,目前还没有达成一致的选择。为了继续进行工艺开发,口罩制造商需要来自行业的额外指导。

甚至在更远的地平线上,具有不同消光系数的新的多层掩膜坯料可以减少反射平面的有效深度。例如,用钌代替钼可以提供40nm的反射深度。不过,更换多层材料比更换减震器要复杂得多。新的掩模坯料将需要达到相同或更好的厚度均匀性和缺陷规格。Ronse说,虽然最终可能是必要的,但新的多层膜不会很快出现。

掩模制造方面的另一个变化是从变形光束(VSB)电子束掩模编写器到多束掩模编写器。“多光束写入器更适合EUV,因为它需要更多的能量来暴露电阻,并产生加热问题。所以你想要能够使用多光束,即使是简单的形状。但多波束也可以在掩模上制造曲线形状,而不需要写入时间。d2

模式转换变得(更)复杂
EUV光子通过掩模的吸收模式后,遇到晶圆及其光刻胶层。对焦深度的减小使得同时保持抗蚀剂堆顶部和晶圆平面对焦变得更加困难。如果聚焦错误使相邻的特征靠得太近,间隙就无法清除,就会发生桥接缺陷。如果特征之间的空间太大,产生的光刻胶特征就会太薄,在自身重量的作用下坍塌。

在SPIE的工作中,Angélique雷利,主任东京电子的s的蚀刻产品组解释说,如果没有足够的重点深度,两个政权之间已经狭窄的过程窗口可能会完全消失。减少抗蚀剂厚度既可以提高聚焦度,也可以降低图案崩溃的风险,但也会带来额外的挑战。

首先是更薄的抵抗使随机缺陷的可能性更大。EUV曝光源提供的光子数量已经很低了,更薄的电阻吸收到达的光子的能力更弱。随机缺陷,表现为线边缘粗糙度,已经是EUV良率损失的主要贡献者。

通常情况下,图案转移过程依赖于一个复杂的堆栈,光刻胶,胶粘剂促进底层,和硬掩模层。该初始步骤在转移到晶圆之前复制硬掩模中的抗蚀剂图案。如果暴露的和未暴露的抗蚀剂特征之间的对比差,可能需要一个初步的“剥皮”步骤。较薄的抗蚀剂在残留物去除和图案转移蚀刻过程中更容易受到侵蚀。这些担忧并不新鲜。该行业一直在研究替代抗化学物质一些时间.然而,传统化学放大抗蚀剂还没有被普遍接受的继承者出现。

在化学放大的抗蚀剂中,入射的光子激活光酸产生分子,每个分子产生多个光酸。光酸反过来保护抗蚀剂的主要聚合物,使其溶于显影剂。然而,CAR对EUV的吸收能力很差,需要一层相对较厚的膜来吸收足够的剂量。

一种很有前途的替代方法是金属氧化物抵抗,而是使用传入的光子来分解锡氧化物纳米团簇。氧化物团簇可溶于显影剂,而金属锡则不溶于显影剂。这些是消极语气的抵抗。暴露使材料不溶。金属氧化物天生就更耐腐蚀,吸收更多的EUV光子,使它们能够在更薄的层上获得类似的结果。不幸的是,接触孔可能是高na EUV曝光的第一个应用,需要一个正色调抗蚀剂。

如上所述,不过,除了光刻胶之外,还有更多的图案转移堆栈。底层材料,通常是旋转玻璃或碳化硅,有助于抵抗粘附。雷利证明了这些材料可以扩大桥接和模式坍塌缺陷之间的过程窗口。然而,底层也增加了必须去除的整体厚度,以将图案转移到硬掩模上。它需要和抗蚀剂一起变薄。然而,杜邦公司的Jae Hwan Sim及其同事表明,底层密度与厚度有关。薄而密度不够的底层可以允许光酸扩散。这种行为将光酸从抗蚀剂的底部去除,导致不完全显影。

结论
以后的文章将更详细地讨论EUV模式转换。抗侵蚀和功能保真是行业正在以各种方式解决的持续挑战。然而,正如SPIE会议明确指出的那样,无论光刻工程师是否准备好,高na曝光系统很快将带来额外的复杂性。

参考文献

[1] Andreas Erdmann等,“高NA EUV光刻吸收材料的前景和权衡,”J. Micro/Nanolith。MEMS MOEMS 19(4) 041001(2020年10月1日)https://doi.org/10.1117/1.JMM.19.4.041001

https://doi.org/10.1117/12.2613063

[3]沈宰焕等。,“Thickness dependence of properties of EUV underlayer thin films,” Proc. SPIE 12055, Advances in Patterning Materials and Processes XXXIX, 120550B (25 May 2022);https://doi.org/10.1117/12.2613437

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1评论

弗雷德里克·陈 说:

半场是一种限制。较大的模具必须被分割和缝合。

即使是较小的模具,更频繁的掩模扫描,也需要更快的舞台移动。这也提高了电力需求。

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