圖說:在標準的最佳方法設置下取得不同光阻薄膜厚度(film thickness;FT)的CD-SEM影像,可見光阻層越薄,影像對比度與品質皆明顯下降。
比利時微電子研究中心(imec)於本周國際光學工程學會(SPIE)舉行的先進微影成形技術會議(2022 SPIE Advanced Lithography and Patterning Conference)上展示其High-NA微影技術的重大進展,包含顯影與蝕刻製程開發、新興光阻劑與塗底材料測試,以及量測與光罩技術優化。
高數值孔徑(high numerical aperture;high-NA)微影技術將是延續摩爾定律的關鍵,推動2奈米以下的電晶體微縮。imec致力於打造High-NA微影生態系統,持續籌備與EUV微影設備製造商ASML共同成立High-NA實驗室(the imec-ASML Joint High-NA Lab)。該實驗室將會聚焦全球首台0.55NA極紫外光(EUV)微影設備的原型機開發。
Imec執行長Luc Van den hove表示:「imec目前與ASML合作開發High-NA技術,ASML現在正在發展首台0.55NA EUV微影掃描設備EXE:5000系統的原型機。與現有的0.33NA EUV系統相比,High-NA EUV微影設備預計將能在減少曝光顯影次數的情況下,實現2nm以下邏輯晶片的關鍵特徵圖案化。」
他指出:「imec與全球微影生態系建立緊密的合作關係,以確保先進的光阻劑材料、光罩、量測技術、(變形鏡片)光學設計與顯影技術都能即時滿足市場需求,進而發揮High-NA EUV微影設備具備更高解析度的最大優勢。在今年SPIE先進微影技術會議上,我們發表了12篇有關High-NA EUV微影技術的論文,顯見為了建立生態系而做足了準備。」
製程與材料優化並進 減少圖案邊緣粗糙度與缺陷
為了建立首台High-NA EUV原型系統,imec持續提升當前0.33NA EUV微影技術的投影解析度,藉此預測光阻層塗佈薄化後的成像表現,以實現微縮化線寬、導線間距與接點的精密圖案轉移。
除了圖案變形的問題,imec指出,線邊緣粗糙度(line-edge roughness)是採用光阻薄膜設計時,用來定義導線與間距圖案的關鍵參數。同時,imec也提出減少微影圖案邊緣粗糙度的解決方案,例如調整曝光光源與光罩的製程條件。
此外,imec攜手材料供應商一同展示新興光阻劑(例如金屬氧化物)與塗底材料的測試結果,在High-NA製程中成功達到優異的成像品質。同時也提出新製程專用的顯影與蝕刻解決方案,以減少微影圖案的缺陷與隨機損壞。
滿足未來量產需求的量測解決方案:光阻薄膜設計與特徵尺寸微縮化
新一代的微影製程鎖定特徵尺寸的微縮化,例如把線寬縮短至10nm,以及光阻層的薄膜設計,將厚度降至20nm以下,這些發展趨勢帶給量測技術兩大挑戰。首先,量測人員必須面對臨界尺寸測量用的掃描式電子顯微鏡(CD-SEM)影像對比度會大幅下降的問題。再者,未來的成像特徵會微縮至10nm以下,這就牽涉了微影疊合(overlay)性能、線邊緣粗糙度與隨機圖案損壞的問題,量測工具的解析度因此必須進一步提升。
imec先進微影技術研究計畫(Advanced Patterning Program)主持人Kurt Ronse表示:「imec與合作夥伴採取了幾種不同策略來解決這些問題。結果顯示,針對現有量測工具的操作條件進行些微調整,影像對比度就可以大幅改善,在影像分析與缺陷分類方面,則能透過深度學習架構支援的專用軟體來強化性能。最後,imec與量測方案供應商密切合作,鎖定微縮化的元件特徵,探索具備可靠度的替代性量測方案,例如滿足量產應用的掃描探針量測技術,以及利用低加速電壓成像並具備校正像差能力的SEM技術。」
解決High-NA EUV光罩的技術痛點
針對22nm導線間距或線寬的微影應用,imec已經模擬了EUV光罩缺陷所帶來的影響,具體而言,包含多層光罩結構的側壁波紋缺陷,以及光吸收層的線邊緣粗糙現象。
Kurt Ronse說明:「從這項研究可以發現,光罩缺陷對最終投印在晶圓上的圖案成像影響逐漸加劇,也就是說,光罩的設計規則勢必要更嚴謹。這些研究成果也讓我們了解high-NA EUV微影製程所需的光罩規格。此外,透過與ASML和材料供應商合作,我們也針對負責定義圖案結構的光罩吸收層,開發了新興的材料與架構。」
針對光吸收層的材料測試,Kurt Ronse表示,imec首度採用低折射率材料(low-n)衰減式相位偏移光罩(attenuated phase shift mask)進行曝光,以評估其對導線、間距與穿孔圖形化的影響。結果顯示,採用低折射率吸收層材料的光罩,作為目前業界使用的鉭基(Ta)空白光罩的替代方案,可以提升圖案在晶圓上的3D成像品質,進而增加high-NA系統的聚焦景深(depth of focus)。」