Экстремальная ультрафиолетовая литография

Литография экстремальным ультрафиолетом ( EUVL , также известная просто как EUV ) — это новая технология, используемая в полупроводниковой промышленности для производства интегральных схем (ИС). Это тип фотолитографии , в котором используется крайний ультрафиолет (EUV) для создания замысловатых узоров на кремниевых пластинах .

По состоянию на 2023 год — ASML Holding единственная компания, которая производит и продает системы EUV для производства чипов, ориентируясь на 5 нанометров (нм) и 3 нм технологические узлы .

Длины волн EUV, которые используются в EUVL, составляют около 13,5 нанометров (нм) с использованием лазерно-импульсной плазмы капель олова (Sn) (ионы Sn в ионных состояниях от Sn IX до Sn XIV дают спектральные пики излучения фотонов около 13,5 нм от 4p ⁶ 4д ^н - 4р. ⁵ 4д ^п+1 + 4д ^n-1 4f переходы ионных состояний. ), чтобы создать рисунок с помощью светоотражающей фотомаски для экспонирования подложки, покрытой фоторезистом .

Механизм формирования изображения в EUV-литографии.

  EUV многослойная стеклянная прокладка на основе кремния и молибденовые отражатели

  поглотитель

  ЭУФ-излучение

  Сопротивляться

  Субстрат

  Вторичные электроны

Многослойный EUV и поглотитель, образующий маску для изображения линии.
EUV-излучение, отраженное от рисунка маски, поглощается резистом и подложкой, образуя фотоэлектроны и вторичные электроны. Эти электроны увеличивают интенсивность химических реакций в резисте.
На оптическое изображение накладывается случайный по своей природе вторичный электронный рисунок. Нежелательное воздействие вторичных электронов приводит к потере разрешения, наблюдаемой шероховатости края линии и изменению ширины линии.

История и экономическое влияние

В 1960-х годах видимый свет использовался для производства интегральных схем с длиной волны всего 435 нм (линия g ртути).

Позже стал использоваться ультрафиолетовый (УФ) свет, сначала с длиной волны 365 нм (ртутная «i-линия»), затем с эксимерными длинами волн, сначала 248 нм ( лазер на фториде криптона ), затем 193 нм ( лазер на фториде аргона ), что называлось глубоким УФ.

Следующий шаг, еще более компактный, получил название Extreme UV или EUV. Многие считали технологию EUV невозможной.

EUV-свет поглощается стеклом и воздухом, поэтому вместо использования линз для фокусировки лучей света, как это делалось раньше, потребуются зеркала в вакууме. Надежное производство EUV также было проблематичным. Тогда ведущие производители шаговых двигателей Canon и Nikon прекратили разработку, а некоторые предсказывали конец закона Мура .

В 1991 году ученые из Bell Labs опубликовали статью, демонстрирующую возможность использования длины волны 13,8 нм для так называемой проекционной литографии с мягким рентгеновским излучением.

Чтобы решить проблему EUV-литографии, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса , Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальной лаборатории Сандии в 1990-х годах получили финансирование для проведения фундаментальных исследований технических препятствий. Результаты этих успешных усилий были распространены через соглашение о сотрудничестве государственного и частного партнерства в области исследований и разработок (CRADA), при этом изобретение и права полностью принадлежали правительству США, но лицензировались и распространялись с одобрения Министерства энергетики и Конгресса. CRADA состояла из консорциума частных компаний и лабораторий, выраженных в форме общества с ограниченной ответственностью «Экстремальное ультрафиолетовое излучение» (EUV LLC).

Intel, Canon и Nikon (лидеры в этой области на тот момент), а также голландская компания ASML и Silicon Valley Group (SVG) добивались лицензирования. Конгресс отрицал японские компании получили необходимое разрешение, как их воспринимали в то время являлись сильными техническими конкурентами и не должны получать выгоду от исследований, финансируемых налогоплательщиками, за счет американских компаний. В 2001 году SVG была приобретена ASML, в результате чего ASML осталась единственным благотворителем критически важной технологии.

К 2018 году ASML удалось реализовать интеллектуальную собственность EUV-LLC после нескольких десятилетий исследований в области развития благодаря объединению финансируемой Европой компании EUCLIDES (Extreme UV Concept Lithography Development System) и давнего партнера немецкого производителя оптики ZEISS и источника синхротронного света. поставщик Оксфорд Инструментс. Это побудило MIT Technology Review назвать его «машиной, спасшей закон Мура». Первый прототип в 2006 году произвел одну пластину за 23 часа. По состоянию на 2022 год сканер будет производить до 200 пластин в час. В сканере используется оптика Zeiss , которую эта компания называет «самыми точными зеркалами в мире». Они производятся путем обнаружения дефектов и последующего удаления отдельных молекул с помощью таких методов, как расчет ионного луча.

Это сделало некогда небольшую компанию ASML мировым лидером в производстве сканеров и монополистом в этой передовой технологии и привело к рекордному обороту в 18,6 млрд евро в 2021 году, затмив своих конкурентов Canon и Nikon, которым было отказано в доступе по IP. Поскольку это ключевая технология для развития во многих областях, лицензиар из США оказал давление на голландские власти, чтобы те не продавали эти машины Китаю . ASML следует рекомендациям голландского экспортного контроля и до дальнейшего уведомления не будет иметь полномочий поставлять машины в Китай.

Наряду с множественным структурированием EUV проложил путь к более высокой плотности транзисторов, что позволяет создавать процессоры с более высокой производительностью. Транзисторы меньшего размера также требуют меньше энергии для работы, что приводит к созданию более энергоэффективной электроники.

Прогноз роста рынка

Согласно отчету Pragma Market Research, Прогнозируется, что мировой рынок литографии с использованием экстремального ультрафиолета (EUV) вырастет с 8 957,8 миллионов долларов США в 2024 году до 17 350 миллионов долларов США к 2030 году при совокупном годовом темпе роста (CAGR) 11,7%. Этот значительный рост отражает растущий спрос на миниатюрную электронику в различных секторах, включая смартфоны , искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления .

Потрясающий результат инструмента

Требования к шаговым двигателям EUV с учетом количества слоев конструкции, требующих EUV, количества машин и желаемой производительности завода. Предполагает круглосуточную работу

# Слои, требующие EUV	Средняя шаговая скорость в пластинах в час	# EUV-машины	Вафля в месяц
5	62.5	5	45000
10	62.5	10	45000
15	62.5	15	45000
15	62.5	30	90000
20	62.5	40	90000
25	62.5	50	90000

Источник: ASML поставит инструменты EUV.

Маски

EUV Фотомаски работают за счет отражения света. Это достигается за счет использования нескольких чередующихся слоев молибдена и кремния . В этом отличие от обычных фотомасок, которые блокируют свет с помощью одного слоя хрома на кварцевой подложке. Маска EUV состоит из 40-50 чередующиеся слои кремния и молибдена; это многослойный слой, который отражает крайний ультрафиолетовый свет посредством дифракции Брэгга ; Коэффициент отражения сильно зависит от угла падения и длины волны: более длинные волны отражают падение, более близкое к нормальному, а более короткие волны отражают больше от нормального падения. Многослойный слой может быть защищен тонким слоем рутения, называемым покрывающим слоем. Рисунок определяется поглощающим слоем на основе тантала поверх покрывающего слоя.

Заготовки фотошаблонов в основном производятся двумя компаниями: AGC Inc. и Hoya Corporation . и оборудование для ионно-лучевого осаждения, в основном производства Veeco, часто используется для нанесения многослойного материала. Заготовку фотошаблона покрывают фоторезистом , который затем запекают (затвердевают) в печи, а затем на фоторезисте определяют рисунок с помощью безмасочной литографии электронным лучом. Этот шаг называется экспозицией. Экспонированный фоторезист проявляется (удаляется) и незащищенные участки протравливаются. Оставшийся фоторезист затем удаляется. Затем маски проверяются, а затем ремонтируются с помощью электронного луча . Травление необходимо производить только в поглощающем слое. и поэтому существует необходимость различать покрывающий и поглощающий слой, который известен как селективность травления. и отличается от травления в обычных фотошапках, которые имеют только один слой, критически важный для их функции.

Инструмент

Инструмент EUVL, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.

Инструмент EUV (фотолитографическая машина EUV) имеет плазменный источник света из олова (Sn), управляемый лазером, отражающую оптику, состоящую из многослойных зеркал, содержащихся в среде газообразного водорода. Водород используется для удержания зеркала-сборника EUV, как первого зеркала, собирающего EUV, излучаемого в большом диапазоне углов (~ 2π ср ) из плазмы Sn, в источнике, свободном от отложений Sn. В частности, буферный газ водорода в камере или резервуаре источника EUV замедляет или, возможно, отталкивает ионы Sn и остатки олова, движущиеся к коллектору EUV (защита коллектора), и обеспечивает химическую реакцию Sn (s) + 4H (g) = SnH4 ( ж) удаление отложений олова на коллекторе в виде газа SnH4 (восстановление отражательной способности коллектора).

EUVL представляет собой значительный отход от стандарта литографии в глубоком ультрафиолете. Вся материя поглощает EUV- излучение. Следовательно, EUV-литография требует вакуума. Во всех оптических элементах, включая фотошаблон , должны использоваться бездефектные мультислои молибден/кремний ( Mo / Si ) (состоящие из 50 бислоев Mo/Si, теоретический предел отражения которых на длине волны 13,5 нм составляет ~75%). ) которые отражают свет посредством межслоевой интерференции волн; Любое из этих зеркал поглощает около 30% падающего света, поэтому контроль температуры зеркала важен.

Современные системы ЭУВЛ содержат как минимум два конденсорных многослойных зеркала, шесть проекционных многослойных зеркал и многослойный объект (маску). Поскольку зеркала поглощают 96% EUV-света, идеальный источник EUV должен быть намного ярче, чем его предшественники. Разработка источников EUV была сосредоточена на плазме, генерируемой лазерными или разрядными импульсами. Зеркало, отвечающее за сбор света, подвергается непосредственному воздействию плазмы и уязвимо для повреждений ионами высокой энергии. и прочий мусор например, капли олова, которые требуют ежегодной замены дорогостоящего коллекторного зеркала.

Требования к ресурсам

Утилита	Выходная мощность 200 Вт EUV	Выходная мощность 90 Вт ArF погружение с двойным рисунком
Электрическая мощность (кВт)	532	49
Расход охлаждающей воды (л/мин)	1600	75
Газопроводы	6	3

Требуемые коммунальные ресурсы значительно больше для EUV по сравнению с иммерсионным излучением на длине волны 193 нм , даже при двух экспозициях с использованием последнего. На симпозиуме EUV 2009 года компания Hynix сообщила, что эффективность настенной розетки для EUV составляет ~0,02%, т. е. для получения 200 Вт при промежуточном фокусе для 100 пластин в час потребуется 1 мегаватт входной мощности по сравнению с 165 киловатт для иммерсионного сканера ArF, и что даже при той же пропускной способности занимаемая площадь EUV-сканера была примерно в три раза больше, чем у иммерсионного сканера ArF, что приводило к потере производительности. Кроме того, для удержания ионного мусора может потребоваться сверхпроводящий магнит.

Типичный инструмент EUV весит около 200 тонн. и стоит около 180 миллионов долларов США.

Энергопотребление инструментов DUV и EUV (измерения в 2020 г.): Инструменты EUV потребляют как минимум в 10 раз больше энергии, чем погружные инструменты.

Платформа	DUV погружение NXT:2050i	EUV NXE:3400C (30 мДж/см) 2 )
Потребление энергии	0,13 МВт	1,31 МВт
Пропускная способность	296 Втч	136 Втч
Энергоэффективность на проход пластины	0,45 кВтч	9,64 кВтч
Вафли в год	2,584,200	1,191,360

Краткое изложение ключевых особенностей

В следующей таблице приведены ключевые различия между разрабатываемыми системами EUV и погружными системами ArF, которые сегодня широко используются в производстве:

	EUV	АрФ-погружение
Длина волны	Полоса пропускания 2% на полувысоте около 13,5 нм	193 нм
Фотонная энергия	91...93 эВ	6,4 эВ
Источник света	CO 2 лазер + Sn плазма	Эксимерный лазер ArF
Полоса пропускания длины волны	5.9%	<0,16%
Вторичные электроны, образующиеся в результате поглощения	Да	Нет
Оптика	Светоотражающие многослойные покрытия (поглощение ~40 % на зеркало)	Пропускающие линзы
Числовая апертура (NA)	0,25: НХЕ:3100 0.33: NXE:33x0 и NXE:3400B Высокая NA (0,55): в разработке	1.20, 1.35
Спецификация разрешения k 1 = разрешение / (длина волны / числовая апертура)	NXE:3100: B 27 нм (k 1 =0,50) NXE:3300B: 22 нм (k 1 =0,54) , NXEI3100BJ 18 нм (k 1 =0,44) с внеосевой подсветкой NXE:3350B: 16 нм (k 1 =0,39) NXE:3400B/C, NXE:3600D: 13 нм (k 1 =0,32)	38 нм (k 1 =0,27)
Вспышка	4%	<1%
Освещение	Центральный угол на 6° от оси сетки.	На оси
Размер поля	0,25 и 0,33 NA: 26 мм × 33 мм Высокая числовая апертура: 26 мм × 16,5 мм	26 мм × 33 мм
Увеличение	0,25 и 0,33 NA: 4× изоморфен Высокая числовая апертура: 4×/8× анаморфотный	4×
Окружающий	Вакуумный водород	Воздух (открытая область пластины под водой)
Контроль аберраций (в том числе тепловых)	Никто	Да, например, FlexWave
Щель освещения	Дугообразный	Прямоугольный
Сетка	Узор на светоотражающем многослойном материале	Рисунок на пропускающей подложке
Сдвиг пластинчатого рисунка при вертикальном положении сетки	Да (из-за размышлений); ~1:40	Нет
Пелликула	Доступно, но есть проблемы	Да
Вафли в день (зависит от средства и дозы)	1500	6000
# инструментов в поле	> 90 (все модели инструментов 0,33 NA)	> 400

Различная степень разрешения инструментов с числовой апертурой 0,33 обусловлена ​​разными вариантами освещения. Несмотря на потенциал оптики по достижению разрешения менее 20 нм, вторичные электроны в резисте практически ограничивают разрешение примерно до 20 нм (подробнее об этом ниже).

Мощность источника света, пропускная способность и время безотказной работы

Пропускная способность EUV как функция дозы. Производительность пластины прибора EUV на самом деле является функцией дозы облучения при фиксированной мощности источника.

Нейтральные атомы или конденсированное вещество не могут излучать EUV-излучение. Ионизация должна предшествовать EUV-излучению материи. Термическое производство многозарядных положительных ионов возможно только в горячей плотной плазме , которая сама сильно поглощает EUV. По состоянию на 2016 год установленным источником EUV-света является оловянная плазма с лазерным импульсом. Ионы поглощают излучаемый ими EUV-свет и легко нейтрализуются электронами в плазме до более низких зарядовых состояний, которые производят свет в основном на других, непригодных для использования длинах волн, что приводит к значительному снижению эффективности генерации света для литографии при более высокой плотности мощности плазмы.

Пропускная способность привязана к мощности источника, разделенной на дозу. Более высокая доза требует более медленного движения столика (меньшей производительности), если мощность импульса невозможно увеличить.

Отражательная способность коллектора EUV ухудшается на ~0,1–0,3% на миллиард импульсов 50 кГц (~10% за ~2 недели), что приводит к потере времени безотказной работы и пропускной способности, при этом даже для первых нескольких миллиардов импульсов (в течение одного дня) все еще остается 20 % (+/-10%) колебания. Это может быть связано с накоплением упомянутых выше остатков олова, которые не полностью удалены. С другой стороны, традиционные инструменты иммерсионной литографии для нанесения двойного рисунка обеспечивают стабильный результат в течение года.

В последнее время осветитель NXE:3400B имеет меньший коэффициент заполнения зрачка (PFR) до 20% без потерь передачи. PFR максимален и превышает 0,2 при шаге металла 45 нм.

Из-за использования EUV-зеркал, которые также поглощают EUV-свет, на пластине в конечном итоге попадает только небольшая часть исходного света. Для осветительной оптики используются 4 зеркала, для проекционной оптики — 6 зеркал. Маска EUV или прицельная сетка сами по себе являются дополнительным зеркалом. При 11 отражениях на пластине доступно только ~ 2% света источника EUV.

На пропускную способность будет влиять доза сопротивления EUV, которая, в свою очередь, зависит от требуемого разрешения. Ожидается, что для обеспечения адекватной пропускной способности будет поддерживаться доза 40 мДж/см2.

Время безотказной работы инструмента

Источник света EUV ограничивает не только производительность, но и время безотказной работы инструмента. Например, за двухнедельный период может быть запланировано более семи часов простоя, тогда как общее фактическое время простоя, включая незапланированные проблемы, может легко превысить день. Ошибка дозы более 2% приводит к простою инструмента.

В период 2019-2022 годов производительность экспонирования пластин постепенно увеличивалась примерно до 1000 пластин в день (на систему). что указывает на значительное время простоя при одновременной работе> 120 WPH на нескольких слоях EUV с несколькими шаблонами, в среднем для пластины EUV.

Сравнение с другими источниками света для литографии

EUV (10–121 нм) — полоса длиннее рентгеновских лучей (0,1–10 нм) и короче линии Лайман-альфа водорода .

В то время как современные эксимерные ArF- лазеры с длиной волны 193 нм обеспечивают интенсивность 200 Вт/см. ² , лазеры для производства плазмы, генерирующей EUV, должны быть гораздо более интенсивными, порядка 10 ¹¹ Вт/см ² . Современный источник света иммерсионной литографии ArF мощностью 120 Вт требует не более 40 кВт. в то время как источники EUV должны превышать 40 кВт.

Целевая мощность для EUV-литографии составляет не менее 250 Вт, тогда как для других традиционных источников литографии она намного меньше. Например, источники света для иммерсионной литографии рассчитаны на 90 Вт, сухие источники ArF - на 45 Вт и источники KrF - на 40 Вт. Ожидается, что источники EUV с высокой числовой апертурой потребуют не менее 500 Вт.

Оптические проблемы, специфичные для EUV

Светоотражающая оптика

Разница фокуса EUV HV. Горизонтальные (H) и вертикальные (V) элементы рисунка маски (сетки) фокусируются по-разному в оптических системах EUV. Числовая апертура (NA) также имеет значение.

Фундаментальным аспектом инструментов EUVL, обусловленным использованием отражающей оптики, является внеосевое освещение (под углом 6 градусов, в разных направлениях и в разных положениях внутри осветительной щели). на многослойной маске (сетке). Это приводит к эффектам затенения, приводящим к асимметрии дифракционной картины, что ухудшает точность изображения различными способами, как описано ниже. Например, одна сторона (за тенью) будет выглядеть ярче, чем другая (внутри тени).

Поведение световых лучей внутри плоскости отражения (влияющих на горизонтальные линии) отличается от поведения световых лучей вне плоскости отражения (влияющих на вертикальные линии). Наиболее заметно то, что горизонтальные и вертикальные линии одинакового размера на маске EUV напечатаны на пластине разного размера.

Разница между 2-мя полосами CD и фокусом. Разница между шириной двух соседних горизонтальных линий варьируется в зависимости от фокуса.

Сочетание внеосевой асимметрии и эффекта затенения маски приводит к фундаментальной неспособности двух одинаковых объектов, даже находящихся в непосредственной близости, одновременно находиться в фокусе. Одной из ключевых проблем EUVL является асимметрия между верхней и нижней линией пары горизонталей (так называемая «двухполоска»). Некоторыми способами частичной компенсации являются использование вспомогательных функций, а также асимметричное освещение.

Распространение двухстержневого случая на решетку, состоящую из множества горизонтальных линий, показывает аналогичную чувствительность к дефокусировке. Это проявляется в разнице критического размера (CD) между линиями верхнего и нижнего края набора из 11 горизонтальных линий.

Поляризация путем отражения также приводит к частичной поляризации EUV-света, что способствует отображению линий, перпендикулярных плоскости отражений.

Сдвиг рисунка из-за расфокусировки (нетелецентричность)

Из-за разных фазовых сдвигов от отражения от маски EUV разные углы освещения приводят к разным сдвигам. Это приводит к снижению контрастности изображения , также известному как выцветание.

Поглотитель маски EUV из-за частичного пропускания генерирует разность фаз между 0-м и 1-м порядками дифракции линейно-пространственной структуры, что приводит к сдвигам изображения (при заданном угле освещения), а также к изменениям пиковой интенсивности (что приводит к увеличению ширины линии). изменения), которые еще больше усиливаются за счет расфокусировки. В конечном итоге это приводит к различным положениям наилучшей фокусировки для разных углов наклона и разных углов освещения. Как правило, сдвиг изображения уравновешивается за счет спаривания точек источника освещения (каждая находится на противоположных сторонах оптической оси). Однако отдельные изображения накладываются друг на друга, и результирующий контраст изображения ухудшается, когда сдвиги отдельных исходных изображений достаточно велики. Разность фаз в конечном итоге также определяет лучшее положение фокусировки.

Многослойный слой также отвечает за сдвиг изображения из-за фазовых сдвигов от дифрагированного света внутри самого многослоя. Это неизбежно из-за того, что свет дважды проходит через рисунок маски.

Использование отражения приводит к тому, что положение экспозиции пластины становится чрезвычайно чувствительным к плоскостности сетки и зажиму сетки. Поэтому необходимо поддерживать чистоту зажима прицельной сетки. Небольшие (в миллирадах) отклонения плоскостности маски на локальном наклоне в сочетании с дефокусировкой пластины. Что еще более важно, было обнаружено, что расфокусировка маски приводит к большим ошибкам наложения. В частности, для узлового металлического слоя 1 толщиной 10 нм (включая шаг 48 нм, 64 нм, 70 нм, изолированные линии и линии электропередачи) неисправимая ошибка размещения рисунка составляла 1 нм для сдвига z-положения маски на 40 нм. Это глобальный сдвиг шаблона слоя относительно ранее определенных слоев. Однако элементы в разных местах также будут смещаться по-разному из-за различных локальных отклонений от плоскостности маски, например, из-за дефектов, скрытых под мультислоем. Можно подсчитать, что вклад неплоскостности маски в ошибку наложения примерно в 1/40 раза превышает изменение толщины от пика к впадине. При пустой характеристике от пика до впадины 50 нм возможна ошибка размещения изображения ~ 1,25 нм. Также вносят свой вклад изменения толщины бланка до 80 нм, что приводит к сдвигу изображения до 2 нм.

Внеосевое освещение сетки также является причиной нетелецентричности при дефокусировке пластины, которая потребляет большую часть бюджета наложения 1,4 нм сканера NXE:3400 EUV. даже для правил проектирования, таких как шаг 100 нм. Наихудшая неисправимая ошибка размещения рисунка для линии 24 нм составляла около 1,1 нм по отношению к соседней линии электропередачи 72 нм на сдвиг положения фокуса пластины на 80 нм в положении одной щели; если учитывать производительность поперек щели, наибольшая ошибка составляет более 1,5 нм в окне дефокусировки пластины. В 2017 году актинический микроскоп, имитирующий систему литографии EUV с числовой апертурой 0,33 и освещением квазара 45 0,2/0,9, показал, что массив контактов с шагом 80 нм сместился от -0,6 до 1,0 нм, а массив контактов с шагом 56 нм - от -1,7 до 1,0 нм относительно горизонтальная опорная линия в пределах окна дефокусировки +/- 50 нм.

Расфокусировка пластины также приводит к ошибкам размещения изображения из-за отклонений от плоскостности локальной маски. Если локальный наклон обозначен углом α, изображение проецируется как сдвинутое в проекционном инструменте 4× на 8α × (DOF/2) = 4αDOF , где DOF — это глубина фокуса. Для глубины фокуса 100 нм небольшое локальное отклонение от плоскостности в 2,5 мрад (0,14°) может привести к сдвигу рисунка на 1 нм.

Моделирование, а также эксперименты показали, что дисбаланс зрачков в EUV-литографии может привести к ошибкам размещения рисунка, зависящим от шага. Поскольку дисбаланс зрачков меняется по мере старения или загрязнения зеркала-сборника EUV, такие ошибки размещения могут быть нестабильными с течением времени. Ситуация особенно сложна для логических устройств, где одновременно предъявляются критические требования к нескольким шагам. Эту проблему идеально решает многократная экспозиция с индивидуальным освещением.

Зависимость положения щели

Вращение освещения поперек кольцевой щели. Свет , отраженный от изогнутых оптических поверхностей, создаст дуги . сегменты Углы освещения поворачиваются по азимуту через дугообразную щель (справа) за счет отражения дугообразного изображения от каждого положения зрачка в качестве точечного источника (слева). Картина распределения многослойной отражательной способности в зависимости от угла и длины волны соответственно поворачивается.

Направление освещения также сильно зависит от положения щели, которая по существу повернута по азимуту. Nanya Technology и Synopsys обнаружили, что горизонтальный в зависимости от вертикального смещения, измененного поперек щели при дипольном освещении. Вращающаяся плоскость падения (азимутальный диапазон от -25° до 25°) подтверждена актиничным обзорным микроскопом SHARP в CXRO, который имитирует оптику систем проекционной литографии EUV. Причина этого в том, что зеркало используется для преобразования прямых прямоугольных полей в поля дугообразной формы. Чтобы сохранить фиксированную плоскость падения, отражение от предыдущего зеркала будет под другим углом к ​​поверхности для другого положения щели; это вызывает неравномерность отражательной способности. Для сохранения единообразия используется вращательная симметрия с вращающейся плоскостью падения. В более общем смысле, так называемые системы «кольцевого поля» уменьшают аберрации, полагаясь на вращательную симметрию дугообразного поля, полученного из внеосевого кольца. Это предпочтительнее, поскольку отражающие системы должны использовать внеосевые пути, которые усугубляют аберрации. Следовательно, идентичные схемы матрицы в разных половинах дугообразной щели потребуют разного OPC . Это делает их непроверяемыми при сравнении кристаллов, поскольку они больше не являются действительно идентичными штампами. Для шагов, требующих дипольного, квадрупольного или гексапольного освещения, вращение также вызывает несоответствие с той же компоновкой рисунка в другом положении щели, т. е. край по отношению к центру. Даже при кольцевом или круговом освещении вращательная симметрия нарушается из-за зависимого от угла многослойного отражения, описанного выше. Хотя диапазон азимутальных углов составляет +/- ~20°. (NXE3400 полевые данные показывают 18,2° ) на сканерах с числовой апертурой 0,33 при нормах проектирования 7 нм (шаг 36–40 нм) допуск по освещенности может составлять +/- 15°, или даже меньше. Неравномерность и асимметрия кольцевой освещенности также существенно влияют на качество изображения. При шаге 28 нм требуемое дипольное освещение становится невозможным для поддержания через щель в системах EUV с числовой апертурой 0,33.

Больший угол падения для тенденции дипольной освещенности, зависящей от тона, через щель не так сильно влияет на затенение горизонтальной линии, но затенение вертикальной линии действительно увеличивается при движении от центра к краю. Кроме того, системы с более высокой числовой апертурой могут обеспечить ограниченное облегчение от затенения, поскольку они нацелены на узкие поля.

Горизонтальные и вертикальные линии дают различное затенение на щели.

Зависимость положения щели особенно сложна для шаблонов наклона, встречающихся в DRAM. Помимо более сложных эффектов, связанных с затенением и вращением зрачка, наклонные края преобразуются в форму лестницы, которая может быть искажена OPC. Фактически, длина DRAM с шагом 32 нм от EUV будет как минимум до 9F. ² площадь ячейки, где F = полушаг активной области (традиционно это было 6F). ² ). Благодаря двухмерному самовыравнивающемуся вырезу активной области с двойным рисунком площадь ячейки все еще ниже - 8,9F. ² .

Аберрации , возникающие из-за отклонений оптических поверхностей от субатомных (<0,1 нм) характеристик. а также термические деформации и, возможно, включая эффекты поляризованного отражения, также зависят от положения щели, как будет дополнительно обсуждаться ниже в отношении оптимизации маски источника (SMO). Ожидается, что термически индуцированные аберрации будут проявлять различия в разных положениях щели, что соответствует разным положениям поля, поскольку каждое положение сталкивается с разными частями деформированных зеркал. По иронии судьбы, использование материалов подложки с высокой термической и механической стабильностью затрудняет компенсацию ошибок волнового фронта.

В сочетании с диапазоном длин волн повернутая плоскость падения усугубляет и без того серьезное стохастическое воздействие на EUV-изображения.

Полоса пропускания длины волны (хроматическая аберрация)

Смещение изображения из-за расфокусировки зависит от длины волны. Угловая зависимость многослойной отражательной способности объекта (маски) различна для разных длин волн, что приводит к различным смещениям при расфокусировке.

В отличие от источников литографии глубокого ультрафиолета (DUV), основанных на эксимерных лазерах, плазменные источники EUV излучают свет в широком диапазоне длин волн. примерно охватывает полосу пропускания 2% на полувысоте около 13,5 нм (13,36–13,65 нм при мощности 50%). EUV (10–121 нм) — это полоса длиннее, чем у рентгеновских лучей водорода (0,1–10 нм), и короче, чем линия Лайман-альфа .

Хотя спектр EUV не является полностью монохроматическим и даже не настолько спектрально чистым, как у лазерных источников DUV, рабочая длина волны обычно принимается равной 13,5 нм. На самом деле отраженная мощность распределяется преимущественно в диапазоне 13,3–13,7 нм. Полоса пропускания EUV-света, отраженного многослойным зеркалом, используемым для EUV-литографии, составляет более +/- 2% (> 270 пм); можно рассчитать изменения фазы из-за изменения длины волны при заданном угле освещения и по сравнению с бюджетом аберрации. Зависимость коэффициента отражения от длины волны также влияет на аподизацию или распределение освещения по зрачку (под разными углами); волны разной длины эффективно «видят» разное освещение, поскольку они по-разному отражаются от многослойной маски. Этот эффективный наклон источника освещения может привести к большим смещениям изображения из-за расфокусировки. И наоборот, пиковая отраженная длина волны варьируется в зависимости от зрачка из-за разных углов падения. Это усугубляется, когда углы охватывают большой радиус, например, при кольцевом освещении. Пиковая длина волны отражения увеличивается при меньших углах падения. Апериодические многослойные слои были предложены для снижения чувствительности за счет снижения отражательной способности, но они слишком чувствительны к случайным колебаниям толщины слоев, например, из-за неточности контроля толщины или взаимной диффузии.

Более узкая полоса пропускания повысит чувствительность к толщине поглотителя маски и буфера в масштабе 1 нм.

Вспышка

Блик — это наличие фонового света, возникающего в результате рассеяния элементов поверхности, которые не разрешаются светом. В системах EUV этот свет может быть EUV или внеполосным (OoB) светом, который также создается источником EUV. Свет OoB усложняет воздействие на экспозицию резиста способами, отличными от воздействия EUV. Воздействие внеполосного света можно уменьшить за счет слоя, нанесенного поверх резиста, а также элементов «черной рамки» на маске EUV. Однако многослойное покрытие неизбежно поглощает EUV-свет, а черная рамка увеличивает затраты на обработку маски EUV.

Эффекты кончика линии

Ключевой проблемой для EUV является противомасштабное поведение расстояния между кончиками лески (T2T) при уменьшении половины шага (hp). Частично это связано с более низким контрастом изображения для бинарных масок, используемых в EUV-литографии, чего не наблюдается при использовании масок фазового сдвига в иммерсионной литографии. Скругление углов конца лески приводит к укорочению конца лески, и это хуже для бинарных масок. Использование фазовых масок в EUV-литографии изучалось, но сталкивается с трудностями из-за контроля фазы в тонких слоях. а также полоса пропускания самого EUV-света. Более традиционно, оптическая коррекция близости (OPC) используется для устранения закругления углов и укорочения концов линии. Несмотря на это, было показано, что разрешение от кончика к кончику и возможность печати на кончике линии противопоставляются друг другу, фактически являясь компакт-дисками противоположной полярности.

В однонаправленных металлических слоях расстояние между кончиками является одной из наиболее серьезных проблем при нанесении рисунка однократного воздействия. Для вертикальных линий с шагом 40 нм номинальный зазор между наконечниками 18 нм привел к тому, что фактическое расстояние между кончиками кончиков было равно 29 нм с OPC. в то время как для горизонтальных линий с шагом 32 нм расстояние между кончиками и номинальным зазором 14 нм увеличилось до 31 нм с OPC. Эти фактические расстояния между наконечниками определяют нижний предел полушага металла, движущегося в направлении, перпендикулярном наконечнику. В этом случае нижний предел составляет около 30 нм. При дальнейшей оптимизации освещения (обсуждается в разделе об оптимизации маски источника) нижний предел может быть уменьшен примерно до 25 нм.

Для больших шагов, где можно использовать обычное освещение, расстояние между кончиками лески обычно больше. Для линий с полушагом 24 нм и номинальным зазором 20 нм расстояние фактически составляло 45 нм, тогда как для линий с полушагом 32 нм тот же номинальный зазор приводил к расстоянию между кончиками кончиков 34 нм. При использовании OPC они становятся 39 нм и 28 нм для полушага 24 нм и полушага 32 нм соответственно.

Возможности улучшения для формирования EUV-паттернов

Вспомогательные функции

Вспомогательная функция OPC. Вспомогательные функции помогают улучшить изображение изолированных объектов (синий), чтобы они больше походили на плотные объекты (серый). Однако чем они эффективнее, тем выше риск того, что вспомогательная функция напечатает (оранжевый цвет).

Вспомогательные функции часто используются, чтобы помочь сбалансировать асимметрию и нетелецентричность в разных положениях щели из-за разных углов освещения, начиная с узла 7 нм, где шаг ~ 41 нм для длины волны ~ 13,5 нм и NA=0,33, что соответствует k1 ~ 0,5. Однако асимметрия уменьшается, но не устраняется, поскольку вспомогательные функции в основном усиливают самые высокие пространственные частоты, тогда как промежуточные пространственные частоты, которые также влияют на фокус и положение функций, не сильно затрагиваются. Связь между первичным изображением и представлениями о себе слишком сильна, чтобы асимметрию можно было устранить с помощью вспомогательных функций; добиться этого можно только асимметричным освещением. Вспомогательные функции также могут мешать доступу к шинам питания/земли. Ожидается, что силовые шины будут шире, что также ограничивает эффективность использования вспомогательных функций из-за ограничения местного шага. Локальные шаги, составляющие от 1× до 2× минимального шага, запрещают размещение вспомогательных функций, поскольку просто нет места для сохранения симметрии локального шага. Фактически, для случая асимметрии с двумя стержнями оптимальное размещение вспомогательных элементов может быть меньше или превышать шаг двух стержней. В зависимости от параметра, подлежащего оптимизации (площадь окна обработки, глубина фокуса, широта экспозиции), оптимальная конфигурация вспомогательной функции может сильно различаться, например, шаг между вспомогательной функцией и полосой отличается от шага двух полос, симметричного или асимметричного, и т. д..

При шагах меньше 58 нм существует компромисс между увеличением глубины резкости и потерей контрастности за счет размещения вспомогательных функций. Как правило, по-прежнему существует компромисс между фокусом и экспозицией, поскольку окно дозы ограничено необходимостью предотвращения случайной печати вспомогательных функций.

Дополнительную проблему вызывает дробовой шум; Вспомогательные функции пониженного разрешения (SRAF) позволяют снизить необходимую дозу, чтобы случайно не распечатать вспомогательные функции. Это приводит к тому, что меньшее количество фотонов определяет более мелкие детали (см. обсуждение в разделе дробового шума).

Поскольку SRAF представляют собой меньшие элементы, чем основные элементы, и не должны получать достаточно высокие дозы для печати, они более восприимчивы к стохастическим изменениям дозы, вызывающим ошибки печати; это особенно недопустимо для EUV, где может потребоваться использование фазовых масок.

Оптимизация исходной маски

Влияние высоты тона на SMO. SMO, проводимый для одного питча, может иметь разную эффективность для других питчей.

Из-за эффекта нетелецентричности стандартные формы зрачков освещения, такие как диск или кольцо, недостаточны для использования для элементов размером ~ 20 нм или меньше (узел 10 нм и выше). Вместо этого некоторые части зрачка (часто более 50%) должны быть асимметрично исключены. Части, которые следует исключить, зависят от шаблона. В частности, самые плотные разрешенные линии должны быть выровнены в одном направлении и предпочитать форму диполя. В этой ситуации для двумерных рисунков потребуется литография с двойной экспозицией из-за присутствия как X-, так и Y-ориентированных рисунков, каждый из которых требует своей собственной маски одномерного рисунка и ориентации диполя. Может быть 200–400 освещающих точек, каждая из которых вносит свой вклад в балансировку общего изображения посредством фокусировки. Таким образом, эффект дробового шума (который будет обсуждаться позже) критически влияет на положение изображения при фокусировке в большом количестве объектов.

Двойной или множественный узор также потребуется, если узор состоит из подузлов, которые требуют значительно разного оптимизированного освещения из-за разного шага, ориентации, формы и размеров.

Влияние положения щели и аберраций

Воздействие различных длин волн. Разные длины волн фактически имеют разные зрачки, что приводит к разным результатам оптимизации маски источника.

Во многом из-за формы щели, и наличие остаточных аберраций, Эффективность SMO варьируется в зависимости от положения щели. В каждом положении щели наблюдаются разные аберрации. и разные азимутальные углы падения, приводящие к различному затенению. Следовательно, могут существовать неисправленные вариации щели для чувствительных к аберрациям элементов, которые могут быть неочевидны при использовании обычных шаблонов линейного пространства. В каждой позиции щели, хотя оптическая коррекция близости (OPC) , включая упомянутые выше вспомогательные функции, также может применяться для устранения аберраций, они также предоставляют обратную связь по спецификации освещения, поскольку преимущества различаются для разных условий освещенности. Это потребовало бы использования различных комбинаций источника-маски в каждой позиции щели, т. е. нескольких экспозиций маски на слой.

Вышеупомянутые хроматические аберрации, вызванные аподизацией, вызванной маской, также приводит к несогласованной оптимизации маски источника для разных длин волн.

Окна фокусировки, зависящие от высоты тона

Наилучшая фокусировка для данного размера объекта сильно зависит от шага, полярности и ориентации при данном освещении. При шаге 36 нм горизонтальные и вертикальные элементы темного поля имеют разницу в фокусе более 30 нм. Элементы с шагом 34 нм и шагом 48 нм имеют наибольшую разницу в лучшей фокусировке независимо от типа элемента. В диапазоне шага 48–64 нм лучшее положение фокуса смещается примерно линейно в зависимости от шага на целых 10–20 нм. Для диапазона шага 34–48 нм лучшее положение фокуса смещается примерно линейно в противоположном направлении в зависимости от шага. Это можно соотнести с разностью фаз между нулевым и первым порядками дифракции. Было обнаружено, что вспомогательные функции, если они могут вписаться в тон, не сильно уменьшают эту тенденцию для ряда промежуточных тонов. или даже ухудшили его для случая 18–27 нм и освещения квазара. Контактные отверстия диаметром 50 нм при шаге 100 нм и шаге 150 имели наилучшие положения фокусировки, разделенные примерно 25 нм; ожидается, что меньшие функции будут хуже. Контактные отверстия в диапазоне шага 48–100 нм показали лучший диапазон фокусировки 37 нм. Лучшая позиция фокусировки по сравнению с высотой тона также зависит от сопротивления. Критические слои часто содержат линии с одним минимальным шагом одной полярности, например, траншеи темного поля, в одной ориентации, например, вертикальной, смешанные с пространствами другой полярности другой ориентации. Это часто увеличивает лучшие различия в фокусе и усложняет получение изображений от кончика к кончику и от кончика к линии.

Уменьшение наполнения зрачков

Вращение зрачка поперек щели приводит к использованию гораздо более низкого заполнения зрачка (внутри трапеций или прямоугольников) для дипольного освещения.

Следствием SMO и смещения фокуса окон стало уменьшение заполнения зрачков. Другими словами, оптимальное освещение обязательно представляет собой оптимизированное перекрытие предпочтительных освещений для различных шаблонов, которые необходимо учитывать. Это приводит к меньшему заполнению зрачков, обеспечивая лучшие результаты. Однако пропускная способность снижается при заполнении зрачка ниже 20% из-за поглощения.

Маски фазового сдвига

Фазовый профиль маски ослабленного фазового сдвига для EUV. Фазовый профиль (красный) для маски с ослабленным фазовым сдвигом, используемой с частично пропускающим поглотителем EUV, не соответствует идеальной конструкции профиля (пунктирный) из-за наклонного падения освещения и рассеяния на краях поглотителя.

Обычно рекламируемым преимуществом EUV является относительная простота литографии, на что указывает отношение размера элемента к длине волны, умноженное на числовую апертуру, также известное как соотношение k1. Например, ширина линии металла 18 нм имеет k1 0,44 для длины волны 13,5 нм, 0,33 NA. Для k1, приближающегося к 0,5, некоторое слабое повышение разрешения, включая маски с ослабленным фазовым сдвигом , что необходимо для производства с длиной волны ArF-лазера (193 нм). использовалось тогда как это улучшение разрешения недоступно для EUV. В частности, эффекты трехмерной маски, включая рассеяние на краях поглотителя, искажают желаемый фазовый профиль. Кроме того, фазовый профиль фактически получается из спектра плоской волны, отраженной от многослоя через поглотитель, а не из падающей плоской волны. Без поглотителей искажения в ближнем поле также возникают на травленой многослойной боковой стенке из-за косого падения освещения; некоторый свет проходит лишь ограниченное количество бислоев вблизи боковой стенки. Кроме того, разные поляризации (TE и TM) имеют разные фазовые сдвиги. По сути, бесхромовая маска фазового сдвига обеспечивает разделение основного тона за счет подавления нулевого дифрагированного порядка на маске, но изготовление высококачественной маски фазового сдвига для EUV, безусловно, не является тривиальной задачей. Один из возможных способов добиться этого — пространственная фильтрация на плоскости Фурье шаблона маски. В Национальной лаборатории Лоуренса Беркли свет нулевого порядка представляет собой систему с центральным затемнением, а дифрагированные порядки +/-1 будут улавливаться чистой апертурой, обеспечивая функциональный эквивалент бесхромной маски фазового сдвига при использовании обычной бинарной амплитуды. маска.

Экспонирование фоторезиста EUV: роль электронов

EUV-свет генерирует фотоэлектроны при поглощении веществом. Эти фотоэлектроны, в свою очередь, генерируют вторичные электроны, которые замедляются перед тем, как вступить в химические реакции. Известно, что при достаточных дозах электроны с энергией 40 эВ проникают в резист толщиной 180 нм, что приводит к развитию. В дозе 160 мкКл/см ² , что соответствует 15 мДж/см ² Доза EUV при условии, что один электрон/фотон, электроны 30 эВ удалили 7 нм резиста из ПММА после стандартной обработки. Для более высокой дозы 30 эВ, равной 380 мкКл/см. ² , что эквивалентно 36 мДж/см ² при одном электроне/фотоне удаляется 10,4 нм резиста ПММА. Они указывают расстояния, на которые электроны могут преодолевать сопротивление независимо от направления.

Показано, что степень эмиссии фотоэлектронов из слоя, лежащего под EUV-фоторезистом, влияет на глубину фокуса. К сожалению, слои жесткой маски имеют тенденцию увеличивать эмиссию фотоэлектронов, ухудшая глубину резкости. Электроны от расфокусированных изображений в резисте также могут повлиять на изображение с лучшей фокусировкой.

Случайность количества вторичных электронов сама по себе является источником стохастического поведения в изображениях резиста EUV. Масштабная длина электронного размытия сама по себе имеет распределение. Intel продемонстрировала с помощью строгого моделирования, что электроны, выпущенные EUV, рассеиваются на расстояния, превышающие 15 нм в резистах EUV.

На электронное размытие также влияет полное внутреннее отражение от верхней поверхности пленки резиста.

Влияние нижележащих слоев

Электроны из слоев под резистом могут повлиять на профиль и начало коллапса.

Вторичные электроны из слоев под резистом могут повлиять на профиль резиста, а также на разрушение рисунка. Следовательно, выбор подложки и слоя под этим слоем является важным фактором для EUV-литографии. Более того, электроны из расфокусированных изображений могут усугубить стохастический характер изображения.

Эффекты загрязнения

Сопротивляться дегазации

Выделение газа в сравнении с дозой EUV: Увеличение дозы до размера ( _размер E ) для уменьшения дробового шума и шероховатости происходит за счет увеличения загрязнения в результате выделения газа . Показанная здесь толщина загрязнения указана относительно эталонного резиста.

Из-за высокой эффективности поглощения EUV фоторезистами нагрев и выделение газа становятся первоочередными проблемами. Одной из хорошо известных проблем является осаждение загрязнений на резисте из окружающих или выделяющихся газов углеводородов, что является результатом EUV- или электронных реакций. Органические фоторезисты выделяют углеводороды. в то время как фоторезистив оксида металла выделяет воду и кислород и металл (в водородной среде); последнее невозможно очистить. Известно, что углеродное загрязнение влияет на многослойную отражательную способность. в то время как кислород особенно вреден для покрывающих слоев рутения (относительно стабильных в условиях EUV и водорода) на многослойной оптике EUV.

Переосаждение олова

Атомарный водород в камерах инструментов используется для очистки олова и углерода , которые откладываются на оптических поверхностях EUV. Атомарный водород производится ультрафиолетовым светом, непосредственно фотоионизирующим H ₂ :

hν + H2 → H+ + H + e−

Электроны, образующиеся в вышеуказанной реакции, также могут диссоциировать H ₂ с образованием атомарного водорода:

e− + H2 → H+ + H + 2e−

Реакция с оловом в источнике света (например, оловом на оптической поверхности источника) с образованием летучего SnH4 (станнана), который можно откачивать из источника, протекает по реакции:

Sn (s) + 4H (g) → SnH4 (g).

SnH ₄ может достигать покрытий других EUV-оптических поверхностей, где он переосаждает Sn по реакции:

SnH4 → Sn (s) + 2H2 (g).

Переотложение может происходить и в результате других промежуточных реакций.

Переотложенный Sn впоследствии может быть удален воздействием атомарного водорода. Однако в целом эффективность очистки олова (отношение удаленного флюса олова из образца олова к потоку атомарного водорода к образцу олова) составляет менее 0,01%, что обусловлено как переосаждением, так и десорбцией водорода, приводящей к образованию молекул водорода. за счет атомарного водорода. Эффективность очистки олова от оксида олова оказывается примерно в два раза выше, чем от олова (при толщине слоя самородного оксида на нем ~ 2 нм). Впрыск небольшого количества кислорода в источник света может улучшить скорость очистки олова.

Вздутие водорода

Дефекты в виде пузырей, вызванных водородом. Атомарный водород (красные точки), используемый для очистки поверхностей, может проникать под поверхность. В мультислоях Mo/Si _{H 2 (парные красные точки), что приводит к образованию блистера (белой области).} образуется и захватывается

Водород также реагирует с металлосодержащими соединениями, восстанавливая их до металла. и диффундирует через кремний и молибден в многослойном слое, что в конечном итоге приводит к образованию волдырей. Покрывающие слои, смягчающие повреждения, связанные с водородом, часто снижают отражательную способность значительно ниже 70%. Известно, что покрывные слои проницаемы для окружающих газов, включая кислород. и водород, а также подвержены дефектам вспучивания, вызванным водородом. Водород также может вступать в реакцию с покрывающим слоем, приводя к его удалению.

Олово плевок

Водород может проникать в расплавленное олово (Sn), создавая внутри него пузырьки водорода. Если пузырьки движутся по поверхности расплавленного олова, то он лопается вместе с оловом, в результате чего олово растекается в большом диапазоне углов. Это явление называется плевком олова и является одним из источников загрязнения EUV Collector.

Сопротивляться эрозии

Водород также реагирует с резистами при травлении. или разложить их. Помимо фоторезиста, водородная плазма также может травить кремний, хотя и очень медленно.

Мембрана

Чтобы смягчить вышеуказанные эффекты, новейший инструмент EUV, представленный в 2017 году, NXE:3400B, оснащен мембраной, которая отделяет пластину от проекционной оптики инструмента, защищая последнюю от выделения газа из резиста на пластине. Мембрана содержит слои, которые поглощают ДУФ- и ИК-излучение и пропускают 85–90% падающего ЭУФ-излучения. Конечно, существует накопленное загрязнение от выделения газа из пластины, а также частицы в целом (хотя последние не в фокусе, они все равно могут препятствовать свету).

ЭУФ-индуцированная плазма

Заряд электронов из плазмы, индуцированной EUV, происходит даже за пределами зоны воздействия EUV (фиолетовые границы).

Системы EUV-литографии, использующие EUV-свет, работают в фоновом водородном газе с давлением 1–10 Па. Плазма является источником ВУФ-излучения. а также электроны и ионы водорода Известно, что эта плазма травит открытые материалы.

В 2023 году было опубликовано исследование, поддержанное TSMC, которое показало чистый заряд электронов из плазмы, а также за счет эмиссии электронов. Было обнаружено, что зарядка происходит даже за пределами зоны воздействия EUV, что указывает на то, что окружающая область подверглась воздействию электронов.

За счет химического распыления углерода водородной плазмой может происходить образование наночастиц, которые могут препятствовать воздействию EUV.

Маска дефектов

Печатаемость дефектов EUV в зависимости от шага. Печатаемость (здесь 10% CD) дефекта заданной высоты и ширины зависит от шага. Обратите внимание, что здесь даже шероховатость поверхности многослойного слоя может оказать заметное влияние.

Уменьшение дефектов масок для сильного ультрафиолета (EUV) в настоящее время является одной из наиболее важных проблем, которые необходимо решить при коммерциализации EUV-литографии. Дефекты могут быть скрыты под многослойным штабелем или внутри него. или находиться на вершине многослойного стека. На распыляемых мишенях, используемых для многослойного осаждения, образуются мезы или выступы, которые могут выпадать в виде частиц во время многослойного осаждения. Фактически, дефекты атомной высоты (0,3–0,5 нм) с FWHM 100 нм все еще можно печатать, демонстрируя 10%-ное воздействие CD. IBM и Toppan сообщили на Photomask Japan 2015, что более мелкие дефекты, например, размером 50 нм, могут иметь 10%-ное влияние CD даже при высоте 0,6 нм, но остаются необнаружимыми.

Кроме того, край фазового дефекта будет дополнительно снижать отражательную способность более чем на 10%, если его отклонение от плоскостности превышает 3 градуса из-за отклонения от заданного угла падения на 84 градуса по отношению к поверхности. Даже если высота дефекта невелика, край все равно деформирует вышележащий многослойный слой, образуя расширенную область, где многослойный слой имеет наклон. Чем резче деформация, тем уже протяженность края дефекта, тем больше потеря отражательной способности.

Ремонт дефектов маски EUV также более сложен из-за упомянутого выше изменения освещенности поперек щели. Из-за различной чувствительности затенения по всей щели высоту нанесения ремонтного материала необходимо контролировать очень тщательно, поскольку она различна в разных положениях щели освещения маски EUV.

Случайные изменения многослойной отражательной способности

GlobalFoundries и Lawrence Berkeley Labs провели исследование Монте-Карло для моделирования эффектов смешивания слоев молибдена (Mo) и кремния (Si) в многослойном слое, который используется для отражения EUV-света от EUV-маски. Результаты показали высокую чувствительность к изменениям толщины слоя на атомном уровне. Такие изменения невозможно обнаружить с помощью измерений отражательной способности на широкой площади, но они будут значительными в масштабе критического размера (CD). Локальное изменение отражательной способности может составлять порядка 10% при стандартном отклонении в несколько нм.

Многослойный урон

Множественные импульсы EUV менее 10 мДж/см ² может накопить повреждение многослойного зеркального оптического элемента Mo / Si с рутением. Угол падения составил 16° или 0,28 рад, что находится в пределах углов оптической системы с числовой апертурой 0,33.

Пелликулы

Производственным EUV-инструментам необходима пленка для защиты маски от загрязнения. Обычно предполагается, что частицы защитят маску от частиц во время транспортировки, входа в камеру экспонирования или выхода из нее, а также во время самого воздействия. Без пелликул добавки частиц снижали бы выход продукции, что не было проблемой для традиционной оптической литографии со светом 193 нм и пелликулами. Однако для EUV целесообразность использования пленки серьезно затруднена из-за необходимой толщины защитных пленок для предотвращения чрезмерного поглощения EUV. Загрязнение частицами было бы непомерно высоким, если бы мощность пленок не была стабильной выше 200 Вт, т. е. целевой мощности для производства.

Нагрев пленки маски EUV (температура пленки до 750 К при падающей мощности 80 Вт) представляет собой серьезную проблему из-за возникающей в результате деформации и снижения пропускания. ASML разработала мембрану из поликремниевой пленки толщиной 70 нм, которая обеспечивает пропускание EUV на 82%; однако менее половины мембран выдержали ожидаемые уровни мощности EUV. Мембраны из пелликулы SiNx также вышли из строя при мощности источника EUV, эквивалентной 82 Вт. Ожидается, что при целевых уровнях мощности 250 Вт температура пленки достигнет 686 градусов Цельсия. значительно выше температуры плавления алюминия. Альтернативные материалы должны обеспечивать достаточную передачу, а также сохранять механическую и термическую стабильность. Однако графит, графен или другие углеродные наноматериалы (нанолисты, нанотрубки) повреждаются EUV из-за высвобождения электронов. а также слишком легко травится в плазме водородной очистки, которая, как ожидается, будет использоваться в EUV-сканерах. Водородная плазма также может травить кремний. Покрытие помогает улучшить устойчивость к водороду, но это снижает пропускание и/или излучательную способность, а также может повлиять на механическую стабильность (например, вздутие).

Морщины на пленках могут вызвать неоднородность CD из-за неравномерного поглощения; ситуация хуже при более мелких морщинах и более последовательном освещении, т. е. при более низком заполнении зрачка.

При отсутствии пленок чистоту EUV-маски необходимо будет проверять до того, как будут показаны реальные пластины продукта, используя пластины, специально подготовленные для проверки дефектов. Эти пластины проверяются после печати на наличие повторяющихся дефектов, указывающих на загрязнение маски; если они обнаружены, маску необходимо очистить и обнажить еще один набор контрольных пластин, повторяя процедуру до тех пор, пока маска не станет чистой. Все затронутые пластины продукта должны быть переработаны.

TSMC сообщила, что начала ограниченное использование собственной пленки в 2019 году и впоследствии продолжила расширяться. а Samsung планирует представить пленку в 2022 году.

Дефекты выпучивания водорода

Как обсуждалось выше, что касается удаления загрязнений, водород, используемый в последних системах EUV, может проникать в слои маски EUV. После захвата образовались выпуклые дефекты. По сути, это пузырчатые дефекты, которые возникают после достаточного количества экспозиций EUV-маски в водородной среде.

Стохастические проблемы EUV

Дробовой шум, вызывающий значительные изменения CD

EUV-литография особенно чувствительна к стохастическим эффектам. Несмотря на то, что подавляющее большинство объектов, напечатанных с помощью EUV, удалось разрешить, некоторые из них полностью не печатаются, например, отсутствуют отверстия или перемычки. Известный значительный вклад в этот эффект вносит доза, используемая при печати. Это связано с дробовым шумом , который будет обсуждаться ниже. Из-за стохастических изменений количества прибывающих фотонов некоторые области, предназначенные для печати, фактически не достигают порога печати, оставляя необнаруженные области дефектов. Некоторые области могут быть переэкспонированы, что приводит к чрезмерной потере резиста или сшиванию. Вероятность стохастического отказа увеличивается экспоненциально по мере уменьшения размера объекта, и для того же размера объекта увеличение расстояния между объектами также значительно увеличивает вероятность. Деформированные обрезки линий представляют собой серьезную проблему из-за возможного образования дуги и короткого замыкания. Доходность требует обнаружения стохастических сбоев вплоть до уровня ниже 1e-12.

Склонность к стохастическим дефектам усиливается при расфокусировке при большом заполнении зрачка.

Стохастические дефекты имеют тенденцию возникать там, где наблюдается стохастическое изменение поглощенной дозы вблизи пороговой дозы. На это указывает то место, где обычно собираются синие пятнышки.

Для одной и той же совокупности могут существовать несколько режимов отказа. Например, помимо перекрытия траншей могут быть нарушены линии, разделяющие траншеи. Это можно объяснить стохастической потерей сопротивления, от вторичных электронов. Случайность количества вторичных электронов сама по себе является источником стохастического поведения в изображениях резиста EUV.

Сосуществование стохастически недоэкспонированных и переэкспонированных областей дефектов приводит к потере дозового окна на определенном уровне дефектов после травления между обрывами формирования рисунка при низкой и высокой дозе. Следовательно, преимущество разрешения за счет более короткой длины волны теряется.

Подложка резиста также играет важную роль. Это может быть связано с вторичными электронами, генерируемыми подслоем. Вторичные электроны могут удалить более 10 нм резиста с открытого края.

Уровень дефектности порядка 1 тыс./мм. ² . В 2020 году Samsung сообщила, что в 5-нм техпроцессе существует риск возникновения дефектов процесса, и начала внедрять автоматическую проверку и исправление.

Фотонный дробовой шум также приводит к стохастической ошибке размещения ребер. Шум фотонного выстрела в некоторой степени усиливается факторами размытия, такими как вторичные электроны или кислоты в химически усиленных резистах; в случае значительного размытия также снижается контрастность изображения по краям. Ошибка размещения края (EPE) составила 8,8 нм для металлического рисунка с шагом 48 нм, напечатанного EUV.

На конечное положение линии влияет дробовой шум. Естественное изменение числа фотонов EUV может привести к смещению положения конца линии.

При естественном распределении Пуассона из-за случайного времени прибытия и поглощения фотонов ожидаемое естественное изменение дозы (числа фотонов) составляет по меньшей мере несколько процентов 3 сигма, что делает процесс облучения чувствительным к стохастическим изменениям. Изменение дозы приводит к изменению положения края элемента, фактически превращаясь в компонент размытия. В отличие от жесткого ограничения разрешения, налагаемого дифракцией, дробовой шум накладывает более мягкое ограничение, при этом основным ориентиром является спецификация шероховатости ширины линии ITRS (LWR), равная 8% (3 с) от ширины линии. Увеличение дозы уменьшит дробовой шум, но это также требует более высокой мощности источника.

Две проблемы дробового шума и электронов, выпущенных EUV, указывают на два сдерживающих фактора: 1) поддержание достаточно высокой дозы, чтобы снизить дробовой шум до допустимого уровня, а также 2) избегание слишком высоких доз из-за увеличения вклада фотоэлектронов, выпущенных EUV. и вторичные электроны в процессе экспонирования резиста, увеличивая размытие краев и тем самым ограничивая разрешение. Помимо влияния на разрешение, более высокая доза также увеличивает газовыделение. ограничивает пропускную способность и сшивку происходит при очень высоких уровнях дозы. Для химически усиленных резистов воздействие более высокой дозы также увеличивает шероховатость края линии из-за разложения генератора кислоты.

Даже при более высоком поглощении при той же дозе EUV вызывает большее беспокойство по поводу дробового шума, чем длина волны ArF (193 нм), главным образом потому, что он применяется к более тонким резистам.

Из стохастических соображений в дорожной карте литографии IRDS 2022 теперь признается увеличение доз для элементов меньшего размера.

Разрешение EUV, вероятно, будет нарушено из-за стохастических эффектов. Плотность стохастических дефектов превысила 1/см. ² , с шагом 36 нм. В 2024 году воздействие EUV-резиста с помощью ASML выявило отсутствие дефектов + мостиковое контактное отверстие с шагом 32 нм, нижний предел плотности дефектов> 0,25 / см. ² (177 дефектов на пластину), что ухудшается при использовании более тонкого резиста. ASML указал, что шаг 30 нм будет использовать не прямое воздействие, а двойное нанесение рисунка. Intel не использовала EUV для шага 30 нм.

Коэффициент заполнения зрачков

Для шагов, меньших половины длины волны, разделенной на числовую апертуру, необходимо дипольное освещение. Это освещение заполняет максимум область в форме листа на краю зрачка. Однако из-за 3D-эффектов в маске EUV меньший шаг требует еще меньших частей этой формы листа. Ниже 20% зрачка начинают страдать пропускная способность и стабильность дозы. Более высокая числовая апертура позволяет использовать более высокую степень заполнения зрачка для того же шага, но глубина резкости значительно уменьшается.

Использование с несколькими узорами

Ожидается, что EUV будет использовать двойной рисунок с шагом около 34 нм и числовой апертурой 0,33. Это разрешение эквивалентно «1Y» для DRAM. В 2020 году ASML сообщил, что слой M0 толщиной 5 нм (минимальный шаг 30 нм) требует двойного рисунка. Во втором полугодии 2018 года TSMC подтвердила, что в ее 5-нм схеме EUV по-прежнему используется многошаблонирование . также указывает на то, что количество масок не уменьшилось с узла 7 нм, в котором использовалось обширное многошаблонирование DUV, до узла 5 нм, в котором использовалось обширное использование EUV. Поставщики EDA также указали на продолжающееся использование потоков с несколькими шаблонами. В то время как Samsung представила собственный 7-нм техпроцесс с единым шаблоном EUV, он столкнулся с сильным шумом фотонного выстрела, вызывающим чрезмерную шероховатость линии, что потребовало более высокой дозы, что привело к снижению производительности. 5-нм узел TSMC использует еще более строгие правила проектирования. Samsung отметила, что меньшие размеры будут иметь более сильный дробовой шум.

При межцентровом расстоянии 38 нм или меньше инструмент EUV с числовой апертурой 0,33 потребует двойного или даже тройного рисунка для контактного или переходного слоя.

В схеме дополнительной литографии Intel с полушагом 20 нм EUV будет использоваться только во второй экспозиции для резки линий после первой экспозиции для линейной печати 193 нм.

Также можно ожидать многократной экспозиции, когда два или более узоров в одном слое, например, с разным шагом или шириной, должны использовать разные оптимизированные формы исходного зрачка. Например, при рассмотрении шахматной стержневой решетки с вертикальным шагом 64 нм изменение горизонтального шага с 64 нм на 90 нм значительно меняет оптимизированное освещение. Оптимизация маски источника, основанная только на решетках линейного пространства и решетках от кончика к кончику, не влечет за собой улучшения для всех частей логической структуры, например, плотной траншеи с зазором на одной стороне.

В 2020 году ASML сообщил, что для узла размером 3 нм расстояние между контактами/переходными отверстиями между центрами 40 нм или меньше потребует двойного или тройного рисунка для некоторых схем расположения контактов/переходных отверстий.

Было обнаружено, что для шага металла 24–36 нм использование EUV в качестве (второго) воздействия при резке имеет значительно более широкое технологическое окно, чем полное однократное воздействие на металлический слой.

Также ожидается многократное воздействие одной и той же маски для устранения дефектов без пленок, что ограничивает производительность так же, как и при нанесении нескольких рисунков.

Самовыравнивающееся литотравление-литотравление (SALELE) — это гибридная технология SADP/LELE, реализация которой началась с 7 нм. Самовыравнивающееся литотравление-литотравление (SALELE) стало общепринятой формой двойного рисунка для использования с EUV.

Расширение с одним шаблоном: анаморфотный с высокой числовой апертурой

Боковые лепестки представляют больший риск при стохастических изменениях на определенном расстоянии между центрами. Этот риск повышен из-за центрального затемнения в системах EUV с высокой числовой апертурой.

Возврат к расширенным поколениям одиночных шаблонов будет возможен с помощью инструментов с более высокой числовой апертурой (NA). NA 0,45 может потребовать перенастройки на несколько процентов. Увеличение уменьшения увеличения могло бы избежать этой перенастройки, но уменьшенный размер поля серьезно влияет на большие структуры (один кристалл на поле размером 26 × 33 мм), такие как многоядерные многомиллиардные транзисторы 14-нм чипы Xeon. требуя сшивания двух экспозиций маски.

В 2015 году ASML раскрыла подробности своего анаморфотного EUV-сканера следующего поколения с числовой апертурой 0,55. Эти машины стоят около 360 миллионов долларов США. Уменьшение увеличивается с 4× до 8× только в одном направлении (в плоскости падения). Однако 0,55 NA имеет гораздо меньшую глубину резкости, чем иммерсионная литография. Кроме того, было обнаружено, что анаморфный инструмент с числовой апертурой 0,52 демонстрирует слишком большую CD и вариативность размещения для однократной экспозиции узла 5 нм и резки с несколькими узорами.

Глубина фокуса снижение за счет увеличения NA также вызывает беспокойство, особенно по сравнению с многорисуночной экспозицией с использованием иммерсионной литографии на длине волны 193 нм:

Длина волны	Показатель преломления	ЧТО	ГРИП (нормализованная)
193 нм	1.44	1.35	1
13,3–13,7 нм	1	0.33	1.17
13,3–13,7 нм	1	0.55	0.40

Инструменты EUV с высокой числовой апертурой также страдают от затемнения, что может привести к ошибкам в отображении определенных закономерностей.

Первые инструменты с высокой числовой апертурой ожидаются в Intel не раньше 2025 года.

Что касается узлов менее 2 нм, системы EUV с высокой числовой апертурой будут подвержены множеству проблем: пропускная способность, новые маски, поляризация, более тонкие резисты, а также размытие вторичных электронов и случайность. Уменьшенная глубина фокуса требует толщины резиста менее 30 нм, что, в свою очередь, увеличивает стохастические эффекты из-за уменьшения поглощения фотонов.

Электронное размытие оценивается как минимум в ~2 нм, чего достаточно, чтобы свести на нет преимущества EUV-литографии с высокой числовой апертурой.

Помимо высокой NA, ASML в 2024 году объявила о планах по разработке инструмента EUV с гипер-NA с NA выше 0,55, например NA 0,75 или 0,85. Эти машины могут стоить 720 миллионов долларов США каждая и, как ожидается, будут доступны в 2030 году. Проблема с Hyper-NA заключается в поляризации EUV-света, вызывающей снижение контрастности изображения.

За пределами длины волны EUV

Гораздо более короткая длина волны (~ 6,7 нм) выходит за пределы EUV, и ее часто называют BEUV (за пределами крайнего ультрафиолета). При нынешних технологиях длины волн BEUV будут иметь худшие эффекты дробового шума без обеспечения достаточной дозы.

Дальнейшее чтение

• Банкю Ву и Аджай Кумар (май 2009 г.). Экстремальная ультрафиолетовая литография . McGraw-Hill Professional , Inc. ISBN  978-0-07-154918-9 .
• Банкю Ву и Аджай Кумар (2009). «Экстремальная ультрафиолетовая литография: на пути к следующему поколению интегральных схем» . Оптика и фотоника Фокус . 7 (4).
• Майкл Первис, Введение в источники EUV для литографии , ASML, STROBE, 25 сентября 2020 г.
• Игорь Фоменков, EUV Source для литографии в HVM - производительность и перспективы , научный сотрудник ASML, семинар по источникам, Амстердам, 05.11.2019.

Ссылки по теме

• EUV представляет собой экономические проблемы
• Промышленность рассматривает возможность использования EUV-волны с длиной волны 6,7 нм