利用原子層蝕刻技術克服EUV隨機變異

作者 : Rich Wise,科林研發(Lam Research) Patterning Managing Director

針對高解析度EUV圖案,線邊緣粗糙度(LER)和圓度偏差等因素所佔的EPE比例大於疊對效應。蝕刻是一項發展完備、可用來提升LER的技術,但是,日益增加的隨機變異性,已使符合EPE預算變得更具挑戰性。

極紫外光(EUV)微影技術即將邁入生產,但ASML仍在繼續解決包括功率源和設備使用率等之前造成大量製造(HVM)延遲的諸多挑戰。不過,此延遲卻激勵了業界投入創新,並進一步推動了多重曝光及浸潤式微影技術的應用。截至目前,在超過1億片採用多重曝光技術(multi-patterning)的晶圓中,有95%是以Lam Research的設備來製作的。

 

圖1:多重曝光技術持續微縮,不僅用於193i,並將擴展至EUV微影。

 

多重曝光技術已把193奈米浸潤式(193i)技術擴展到7奈米節點(圖1),使瑞利準則(Raleigh Criterion)中的製程相關常數k1,從極限值0.25降到了小於0.13。就最小特徵尺寸來看,EUV的k1微縮會比浸潤式技術更具挑戰性,而且5奈米節點就需採用多重曝光。因此,Lam認為,多重曝光不僅擴展了193i技術,同時也將擴展EUV微影。

然而,隨著業界在7奈米和5奈米節點採用EUV,它正面臨著緊迫的挑戰,而此挑戰已使分析和預測無用武之地──儘管這通常是有助於調整製程以減少缺陷的方法。此挑戰來自於光阻劑成分和擊中光阻劑的光子數量的隨機變異,此現象在高能量EUV微影中已變得更為嚴重。這些變異統稱為隨機性(stochastics)或隨機變異性(stochastic variability)。

例如,過去主要由於疊對(overlay)造成的邊緣放置誤差(EPE)或圖案放置誤差,以前可透過曝光機(scanner)技術的進步而解決。但今天,許多EPE並不一定是來自疊對,而是隨機變異性造成的。

針對高解析度EUV圖案,線邊緣粗糙度(LER)和圓度偏差等因素所佔的EPE比例大於疊對效應(圖2)。蝕刻是一項發展完備、可用來提升LER的技術,但是,日益增加的隨機變異性,已使符合EPE預算變得更具挑戰性。

 

圖2:各種效應叢生──系統、局部和全局效應──並制定預算,例如,針對採用EUV圖案的5奈米或3奈米邏輯結構,局部效應是造成EPE的主要因素。

 

EUV曝光隨機性

隨機變異在EUV微影中已變得更為顯著,因為相較於浸潤式製程,EUV需較少的高能量光子。例如,在193i中,光子會被化學放大光阻(CAR)吸收並產生二次電子,而這些二次電子會生成光酸(photoacid),並在曝光後製程中產生反應。另一方面,在EUV中,是利用較少的高能量光子產生高能量,這些光子會在光阻劑中形成電子串級並撞擊光酸產生劑(PAG),進而在曝光後製程產生酸。

光子數量變異所引發的光阻反應、電子串級中的電子數和能量、以及光阻系統中光酸產生劑的散佈等隨機行為,都會導致關鍵尺寸(CD)的偏離。例如,由於每個導孔捕獲的光子數量不同和/或每個導孔中活化的光酸分佈不同,彼此相鄰的導孔可能會變形,大於或小於所需的形狀。從蝕刻的角度來看,這帶來了挑戰,因為在光阻劑中形成導孔的深寬比可能會在局部範圍內不一致。

解決曝光隨機性的一種方法是,僅單純地提供更多的光子或增加劑量。如圖3所示,雖然這改善了局部CD均勻度(LCDU),但它會顯著影響EUV曝光機的生產力。雖然,以足夠的劑量來操作曝光機,可改善光阻劑解析度對曝光機生產量的影響,但這將限制此技術的採用,只有最具挑戰性的應用才適用。

 

圖3:與以20mJ/cm2的操作條件相比,以60mJ/cm2操作的曝光機可改善導孔的圓形度和尺寸分佈,但這會顯著影響生產力。

 

微影-蝕刻-沉積的協同最佳化可降低LCDU

為了因應這項挑戰,Lam專注於開發微影、蝕刻和沉積的協同最佳化技術,以降低LCDU。例如,Lam正與ASML合作,利用硬式罩幕沉積製程(hardmask deposition process)來改善可用光阻的二次電子生成。在蝕刻中,深寬比的局部變異可透過導孔尺寸分佈或線/空間結構中的缺陷來處理。在微影領域,ASML提供了一套與光阻劑厚度和靈敏度、以及罩幕CD偏置有關的解決方案。

儘管必須針對不同的光阻系統調整蝕刻,但製程的協同最佳化是有機會解決的。事實上,把能夠在ASML NXE曝光機上實現自訂光瞳(pupil)形狀的FlexPupil光源與電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)堆疊工程和原子層蝕刻(ALE)結合在一起,可以顯著改善LCDU。

根據比利時研究機構imec的數據顯示,微影製程和堆疊工程的協同最佳化可在曝光的製程容許範圍中提供高達35%的調整,使LCDU減少20%至25%(圖4)。若僅透過增加劑量來達到相同的LCDU降低,是非常昂貴的。

 

圖4:PECVD圖案化堆疊提供了一個可顯著降低LCDU的機會,若僅透過較高劑量來實現,成本是很昂貴的。

 

降低LCDU的另一個機會是,利用ALE的獨特功能。在一種ALE的衍生技術中,晶圓表面會先施予反應物至飽和,但此反應物之後會從腔體排出。然後,以惰性離子轟擊(ion bombardment)進行表面改善。把反應步驟從表面改善或去除步驟中解耦出來,可使反應能夠以自我飽和方式進行,以取得均勻、更可控的製程。同樣地,由於氣相中沒有反應物,所以去除步驟會受到反應表面可用性的限制。這免除了對特徵大小或反應器尺寸的依賴性,使局部特徵變異性是可以調整的。

Lam已把ALE的理想狀態定義為「協同作用」。它的計算方式是,把每個週期的蝕刻淨量(ALET)減去僅在改善步驟(M)中除去的量、以及僅在解吸附(desorption,離子轟擊)步驟(D)中除去的量,再除以ALET所得到的比值(圖5)。

根據此定義,0%協同作用是指一般的蝕刻製程──沒有協同作用、也沒有自限(self-limiting)行為,這意味,著該製程完全依賴於特徵尺寸和反應器均勻度。另一方面,100%協同作用表示完全的自限行為,與特徵大小無關。

 

圖5:Lam開發了一種利用標準有機EUV光阻劑的系統。在此系統中,材料在解吸附和改善步驟中被去除的量很少,協同作用可高於85%。

 

當談到EUV時,ALE面臨的挑戰是光阻劑材料,此類材料通常更柔軟,並限制了ALE的應用。舉例來說,如果把EUV光阻劑用在為PECVD碳開發的ALE製程,大量材料會在離子解吸附過程中被移除,並會隨著偏置電壓而增加,因此該製程不是自限性的(圖5)。在此不理想情況下,ALE協同作用僅25%。

為因應此挑戰,需要開發不同的化學系統和不同的電壓偏置機制。Lam已開發了一種系統,能在標準的有機EUV光阻系統上展現出接近理想的ALE行為。在此情況下,材料在解吸附和改善步驟中被去除的量可以忽略不計,而ALET會遠大於這兩個步驟的總和。如圖5所示,此情況的協同作用高於85%。

如圖6所示,imec測試ALE的結果顯示,這種接近理想的ALE可使EUV導孔LCDU降低56%,從超過3奈米降至僅1.3奈米。在此例子中,只需要15個ALE週期就夠了,還可進一步最佳化ALE處理,以取得更好的LCDU。

在蝕刻反應器進行的一般CD縮減製程中,較大的特徵具有較大的電漿視野,因此會比較小的特徵收集到更多的鈍化物質並且縮減更快,而使CD正常化。此技術雖然有效,但不能應用於密集特徵。Lam的ALE技術透過平滑光阻劑並允許對CD和LCDU進行獨立調整來克服此一問題。

 

圖6:由於ALE在各種間距和CD都是均勻的,可使LCDU減小,但這與ALE週期次數有顯著關係。

 

在imec的LCDU改善實驗中,共有三種不同的間距和三種不同的CD。結果顯示,ALE基本上是獨立於間距和CD的。

虛擬製程開發

Lam在開發此製程中克服的一項挑戰是,此製程與堆疊技術有關,而且很難找到缺陷。利用公司旗下設計軟體工具開發者Coventor在運算建模方面的專業技術,Lam採用虛擬製程開發來加速微影-蝕刻-沉積的協同最佳化。

Coventor的虛擬模擬技術可在給定的模擬方塊中定義光阻劑虛擬缺陷的尺寸,然後以平行方式執行各種參數的ALE運算。ALE非常適合建模,因為已經把表面改善和解吸附步驟分開了。此運算模型可快速檢查多個週期對不同缺陷尺寸分佈的影響、確認解決特定缺陷所需的周期數,並決定哪些缺陷可以接受,哪些不可以接受。

Lam Research致力於推動創新來加速EUV的採用,並把隨機效應造成的局部放置誤差降至最低。透過虛擬製程開發,在薄膜堆疊、生產力和蝕刻後處理方面得到的成果,將加速微影和光阻劑技術的進展,並可為5奈米邏輯元件提供具成本效益的多重曝光EUV解決方案。

責編:Judith Cheng

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌繁體中文版2021年3月號

 

 

 

 

 

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