寻找EUV缺陷

芯片制造商希望在7nm和/或5nm处插入极紫外(EUV)光刻，但在这种经常延迟的技术投入生产之前，还需要解决几个挑战。

一个越来越令人担忧的遗留问题是如何发现由EUV流程。这些过程可以引起随机变化，也称为随机效应。这些影响反过来又会导致随机诱发的缺陷，例如芯片中的图案粗糙和错误接触。

不过，这并不是唯一的问题。该行业继续开发源电源和EUV掩模。但随机性是最大的挑战，因为EUV随机诱导的缺陷通常是灾难性的，并可能导致芯片故障。因此，必须发现并预防这些缺陷，以确保EUV光刻在7nm和/或5nm工艺上投入生产。

问题是，对于随机引起的缺陷，业界知道问题从哪里开始，但它不完全了解它发生的原因。它也无法预测结果。此外，该行业并没有所有的技术来定位和测量EUV随机诱发的缺陷。

今天，业界使用各种计量以及用于定位和测量芯片缺陷的检查工具。但目前的方法在EUV随机诱发缺陷方面可能存在不足。因此，要么解决方案被开发出来，要么EUV光刻可能无法起飞。

幸运的是，在实验室和晶圆厂都出现了一些新的和有前途的计量/检测解决方案。在实验室里，业界正在利用由巨型同步加速器存储环提供动力的奇异x射线技术获得新的见解。然后，在晶圆厂，工具供应商正在开发新的电子束测量系统和软件技术。

为了帮助业界获得对该领域的深入了解，半导体工程公司正在研究实验室和晶圆厂中一些计量技术的现状。

定位问题
像以前一样，GlobalFoundries、英特尔、三星和台积电希望在7纳米和/或5纳米上插入EUV光刻技术。芯片制造商需要EUV，因为对芯片的关键特征进行模式化设计变得越来越困难。

ASML与此同时，该公司正在运送其第一台量产EUV扫描仪。在EUV中，电源将等离子体转换为13.5nm波长的光子。然后，光线从由10个多层镜子组成的方案中反射回来。在这一点上，光照射到掩模并向晶圆移动。

图1:精确的反射光。资料来源:ASML/Carl Zeiss SMT Gmbh。

然后，光子撞击光致抗蚀剂，引起化学反应。抗蚀剂是一种光敏聚合物，用于在设备中创建图案。

在今天的248nm和193nm波长光刻中，芯片制造商使用化学放大电阻(CARs)。在这个过程中，光子撞击CAR，产生酸。CAR随后在曝光后烘烤过程中经历酸催化反应。

在EUV中，反应是不同的。首先，EUV光子(92eV)的能量是193nm光子(6.4eV)的14倍。然后，在同样的照射剂量下，光子数量减少了14倍。

在EUV过程中，光子被电阻吸收，从而产生电子。这些电子级联成二次电子，这些二次电子击中光酸发生器产生酸。然后，抗蚀剂被烘烤，酸通过材料扩散变化。

这个化学反应就是随机问题开始的地方。但最大的问题是，关于这些反应还有很多未知因素。“业界还没有对暴露反应机制有一个完整的物理化学理解，因为这是一个复杂的过程，有一些未知的东西，”格雷戈里·麦金太尔说Imec．

根据Imec的说法，以下是一些未知因素。首先，在反应过程中，有多少光子被电阻吸收是有变化的。其次，产生的电子数量以及它们的能级是不同的。

因此，当EUV暴露抗蚀剂时，每个事件的结果可能不同。这种不受欢迎的结果被称为随机性。

在EUV中，光子在多个连续的事件中击中电阻。每个事件都可能不同。从一个事件到下一个事件的变化是一种叫做光子的现象散粒噪声．

随机和射击噪声都有问题。“业界表示，EUV将在7纳米工艺上开始生产，至少在有限的用途上是这样。但人们似乎越来越普遍地认为，拍摄噪声将很快成为EUV的一个问题。d2．

实际缺陷是由随机效应引起的，问题在每个节点上累积。Fractilia首席技术官Chris Mack表示:“随着特征尺寸的减小，缺陷数量会急剧增加，所以当我们将尺寸从7nm缩小到5nm时，问题会严重得多。”

还有其他问题。“成像需要衬底层和电阻层之间的良好匹配，”该公司副CTO和企业技术研究员James Lamb说布鲁尔科学．“我们面临的挑战是如何克服随机效应、LER和LWR，以及如何让一切都变得更薄。”

这是一个复杂的问题。“这里的目标是减少缺陷和随机效应的数量，这需要你花更多的时间来调整底层，”Lamb说。

发现缺陷是一项艰巨的任务，但它并不是唯一的挑战。“这不仅仅是缺陷的数量，还包括在正确的位置找到缺陷，这在今天是一个巨大的挑战，”Richard Wise说林的研究．“问题是，在电阻中，很多时候缺陷很难看到，因为电阻和下面的对比不那么清楚。有一个问题是，电阻可能曝光不足。没有足够的光子。他们更小，你要努力找到他们之间有界线和桥梁的地方。”

底线是什么?“要花几天时间才能找到一个缺失的模式。在逻辑情况下，一个缺失的模式将会杀死你的设备，”Wise说。

在实验室里
该行业正从多个角度看待这一问题。一般来说，在实验室中，目标是表征材料，并更好地理解光子和电阻之间的化学反应。

为此，业界使用各种测量技术。例如，在去年发表的一篇论文中，纳米光刻高级研究中心(ARCNL)研究了用于EUV电阻的含金属杂化无机材料的反应。含金属的抗蚀剂比car有更高的灵敏度，但它们还没有被完全理解。

图2:锡-氧氧笼状化合物在EUV电阻中的分子结构。来源:ARCNL

为了深入了解这些机制，ARCNL使用了一种称为硬x射线光电子能谱(HAXPES)的计量技术。该技术探测材料的电子特性。(请参见下面的论文链接)

图3:HAXPES光谱仪。来源:HZB

在这种情况下，HAXPES由Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)的同步加速器光源供电。同步加速器光源是一个大圆环，它产生从太赫兹到x射线光谱的辐射。

图4:电子储存环BESSY II。来源:HZB

Imec使用类似的x射线技术来研究EUV抗蚀剂的吸收和产率。Imec还使用其他电子能谱技术进行化学分析。“每一种技术都测量特定的东西，但没有一种技术能让你全面了解曝光过程中电阻内部的实际情况。挑战在于将所有信息整合到一个完整的模型中，这将有助于材料设计，”Imec的麦金太尔说。

因此，该行业需要新的解决方案。McIntyre说:“在EUV中，辐射分解的化学过程不仅受我们通常研究的能量的影响，还受量子效应的影响，比如轨道角动量。”“为了充分了解这些影响和过程，我们需要应用超快速瞬态光谱/3D成像和分子建模技术。这些检测、测量、成像和解释发生在阿/飞/皮/纳秒时间尺度上的电离过程，因为我们从较高核心电子能级的原子局域事件(从92eV到30eV)转移到最终发生化学反应的较低价电子能的离域分子事件。”

显然，在晶圆厂安装存储环是不切实际的，因为它们太贵了，而且存在一些安全问题。

采用另一种方法，保罗谢勒研究所(PSI)使用x射线干涉光刻(XIL)光束线研究了化学反应。该技术提供了EUV能量范围内的空间相干光束。

本文提出了一种从平版印刷角度测量二次电子模糊的实验方法。“EUV光被光刻胶吸收后，会产生二次电子，从而引发化学反应。电子的有效传播范围是SEB，”PSI先进光刻和计量学小组负责人Yasin Ekinci说。“光与物质的相互作用与DUV波长有本质上的不同。事实上，这种机制类似于电子束光刻，二次电子可以移动几微米。对于EUV，这是几纳米。一般来说，SEB不是坏事。它会成为解决问题的限制因素。但我们也需要灵敏度，它与相互作用的体积成正比，而相互作用的体积受SEB的限制。这就是RLS的新版本权衡。”

最近的工作估计，平均每个吸收的EUV光子会产生2-4个电子的级联。“我认为，用实验和理论估计每个光子产生的电子数量不仅非常困难，而且很模糊。我们应该讨论‘有用电子’的数量，比如引发化学变化的二次电子的平均数量，”Ekinci说。

PSI在实验中发现了什么?“由于实际上不可能衡量抵抗中发生了什么，人们必须想出间接的方法。在最近的一项研究中，我们通过测量EUV曝光和显影时的抗蚀剂厚度损失来做到这一点。我们比较了两种情况下的这些值，一种是透明衬底，另一种是高吸收衬底。这个想法是观察接近衬底的剩余电阻应该改变，如果衬底中产生的一些电子进入电阻，”他说。“总之，我们计算了约2nm的二次电子模糊。在另一项研究中，我们测量了每吸收一个光子所清除的抗蚀剂的体积。对于非化学放大的电阻，我们测量了直径约2纳米的球体。两种完全不同的方法得到了相同的结果。”

解决l
除了实验室，在晶圆厂也有挑战。EUV过程中的随机性倾向于产生具有图案粗糙的特征。事实上，特征的边缘有时是粗糙的，这被称为线边缘粗糙度(LER)。LER描述特征边缘的变化。

图5:线边粗糙度(LER)。来源:Lithoguru, Fractilia

LER有问题。首先，它会影响晶体管的性能。其次，LER不随特征大小缩放。根据Fractilia的说法，在10nm及以下，这些变化可能会变得和芯片本身的特征一样大。

一些人使用临界尺寸的扫描电子显微镜(CD-SEM)来测量LER。CD-SEM对结构的cd进行“自上而下”的测量，如宽度和高度。为了做到这一点，它向样品中发送电子束，电子束与结构中的电子相互作用。然后信号被发回并映射到系统中。

对于LER测量，其思想是检测模式边缘的问题。根据国际半导体技术路线图(ITRS)第2版，推荐的LER度量标准定义为沿2μm长线测量的残差的3 σ。

目前的方法是有限的。Fractilia的Mack表示:“在10nm及以下，半导体工程师需要清楚地了解图案粗糙度对工艺和器件性能的影响。”“然而，利用现有的工具和技术，他们还无法得到这一图景。”

有时，CD-SEM中的信噪比成为一个问题。它产生CD偏差，即实际值与测量值之间的差值。

为了解决这个问题，Fractilia最近推出了一款测量LER的软件工具。它适用于不同厂商的cd - sem。基本上，Fractilia的技术分离了由偏倚引起的CD-SEM误差。然后，预测粗糙度的影响。

通常，CD-SEM使用分析线扫描模型(ALM)生成样品的图像或线扫描。Fractilia的软件并不直接使用ALM。相反，它反转了ALM。这是用来检测扫描电镜图像中所有特征的边缘。这是第一步。第二步取检测到的边缘并计算PSD。难点在于从有噪声的扫描电镜图像中检测边缘。”Mack说。

图6:Fractilia的技术测量图案粗糙度。

计算功率谱密度(PSD)是关键。“PSD是一种统计表征粗糙边缘的数学技术，”他说。“PSD提供给你的不仅仅是3 σ。完整的PSD分析还显示了低频区有多少粗糙度，高频区有多少粗糙度。所以，把PSD看作是信息的超集，它包括3-sigma，但也包括其他信息。”

换句话说，3-sigma度量不足以理解LER。美国东京电子技术中心蚀刻工艺开发经理Angélique Raley说:“线边缘粗糙度表征不能再局限于平均标准偏差数。电话．

“要了解粗糙度从光刻到蚀刻底层堆栈的传播，就必须沿着频域更深入地了解粗糙度。了解低、中、高频区域是整个过程中粗糙度变化的驱动因素，是识别和解决这种变化的根本原因的关键。”

失踪/亲吻联系人
现在，Fractilia和其他公司正在解决下一个挑战接触井失效问题。先进的逻辑芯片包含10亿个或更多的微型触点。如果在EUV过程中发生事故，触点可能会出现随机诱发的缺陷。一个芯片只要有一个触点缺陷就会失效。

一个错误的触点可能包含一个不需要的微桥，或者两个触点可能最终合并。这就是所谓的“丢失或亲吻隐形眼镜”。

“在45nm工艺中，你知道缺陷是由设计和特定位置引起的。对于EUV，缺陷更加随机，这是一个很大的挑战，”Neeraj Khanna说，全球客户参与的高级总监KLA-Tencor．“所有这些都需要更多的过程控制，而这在很大程度上又回到了基本的产量控制。使用调试，您需要找到尽可能多的缺陷。但你真正需要做的是找到缺陷的来源，这需要在7nm与16nm/14nm的非常小的工艺窗口内完成。”

还有其他挑战。“这不仅仅是一次失踪或接吻。您需要看看是否可以用EUV替换位于SAQP阵列上的块层。你可以看看你过去用许多掩模打印的块层，现在你用EUV掩模打印，并解决所有问题，”Ofer Adan说，计量和过程控制总监应用材料．“你不仅需要检查块CD，还需要检查块的位置。这是乳糜泻的问题覆盖．这就是我们所说的边缘定位误差。”

所有这些都让工厂头疼。理论上，芯片制造商必须对晶圆上的每个芯片进行取样，以寻找有故障的触点。为了完成这些艰巨的任务，该行业需要一种可以进行数百万甚至万亿次测量的计量工具。

因此，作为回应，应用材料和ASML正在开发一种新型的eBeam计量工具，或所谓的大型CD工具。大型CD工具是一种具有计量功能的电子束检测系统，如CD- sem和overlay。

cd - sem在小范围内测量结构。同时，电子束检测用于发现芯片中最小的缺陷，其灵敏度可达1nm。电子束检测速度慢。

电子束计量结合了这两个领域的优点。工具制造商采用电子束检测系统，并添加来自CD-SEM的图像测量算法，使机器能够在全视野范围内进行测量。

“你可以让电子束工具更快。在很短的时间内，你可以对每块晶圆进行成千上万次的测量，”Alok Vaid说，他是英特尔高级模块工程副总监兼高级经理GlobalFoundries．“它仍然是电子束，但你可以看到更大的视野。当你使用更大的视野时，你可以在镜头内看到更多。你有足够的分辨率和足够的成像技巧来应用CD-SEM测量。然后你用设计信息来帮助你。这有助于你快速衡量。”

这个工具有一些局限性，至少现在是这样。它提供了一些但不是全部的CD和叠加测量。它可以处理数百万次测量，但该行业需要一种可以处理万亿次测量的工具。

把它们放在一起
尽管如此，这些工具仍将提供有价值的信息，但还有一个问题——行业必须处理新计量数据的爆炸。

下一个任务是获取这些计量数据，并将其导入fab的各种工艺工具中。光刻工具处于领先地位。他们能够收集大量的数据，并能够适当地调整流程。

许多其他fab工具没有所有的旋钮到位。Vaid表示:“我们希望计量供应商与工艺供应商合作开发旋钮。“我们的关键信息是，我们希望他们合作。”

目前尚不清楚这需要多长时间，也不清楚他们将如何实现这一目标。但如果该行业拖后腿，EUV可能会再次下滑。这是谁都不愿意看到的。

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