三星電子的代工業(yè)務(wù)幾個(gè)月前在國際互連技術(shù)會(huì)議 (IITC) 上發(fā)表了一篇關(guān)于 EUV 最小間距單一圖案化主題的論文。一下這篇文章是為了幫助更多的人了解這篇論文，以及 EUV 技術(shù)的特點(diǎn)。

光刻是半導(dǎo)體工藝中最關(guān)鍵的步驟之一。EUV是當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)最熱門的關(guān)鍵詞，也是光刻技術(shù)。為了更好地理解 EUV 是什么，讓我們仔細(xì)看看光刻技術(shù)。

在雕刻或切割之前，我們經(jīng)常勾畫出要完成的工作。通過這種方式，我們確保在我們計(jì)劃的地方進(jìn)行切割和雕刻。光刻與此草圖步驟非常相似。半導(dǎo)體工藝可以描述為堆疊和切割的重復(fù)。我們使用光刻技術(shù)勾勒出這些切口的位置。

我們通常使用鋼筆之類的工具來創(chuàng)建草圖（sketch）。然而，顧名思義，在光刻中，使用光將草圖印在膠片上。這可以在 [圖 1] 中看到。首先，創(chuàng)建一個(gè)包含所需圖案的薄板。板上的圖案可以阻擋或讓光線通過膠片，從而形成所需的圖案。這種用于控制光線的板稱為“掩模”或“標(biāo)線”。

圖1

然而，簡單地在紙上照射光并產(chǎn)生陰影不會(huì)將陰影刻在紙上。我們需要相當(dāng)于相機(jī)中的膠卷來打印入射光的圖案。在光刻中，PR（光刻膠）在光線照射之前應(yīng)用，起到了這個(gè)作用。PR 會(huì)根據(jù)光線改變其屬性。如圖 [2] 所示，將 PR 應(yīng)用在要切割的材料上，然后光線穿過掩模。這會(huì)改變曝光區(qū)域中 PR 的特性。這種性質(zhì)的改變允許在顯影步驟中選擇性地去除暴露于光的 PR 或未暴露于光的 PR。換句話說，PR 被留在了掩膜的形狀中。

圖2

在圖案化步驟之后是切割材料的步驟，稱為“蝕刻”。同時(shí)對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行蝕刻（切割）。開發(fā)后剩余的 PR 可防止底層材料被切掉，并允許生成所需的草圖。這是對光刻工藝的基本作用和原理的簡要說明。看來光刻是一個(gè)相當(dāng)簡單的過程，只涉及通過掩模照射光。那么，為什么光刻技術(shù)的進(jìn)步會(huì)受到半導(dǎo)體行業(yè)的如此關(guān)注呢？

縮小工藝規(guī)模——即使用更小的晶體管生產(chǎn)半導(dǎo)體——需要克服許多限制。障礙之一涉及光刻。那么，我們在光刻方面面臨哪些障礙呢？

A. 光衍射和干涉阻礙圖案化

衍射是光通過狹窄狹縫時(shí)擴(kuò)散的性質(zhì)，而干涉是兩個(gè)光波相遇并相互加強(qiáng)或抵消的性質(zhì)。這些是目前光刻中圖案化過程的兩個(gè)最大障礙。如圖[3]所示，光具有衍射特性，通過狹縫時(shí)不能沿直線運(yùn)動(dòng)。相反，它以從狹縫輻射的扇形波傳播。如果狹縫窄或波長長，則衍射圖案趨于更寬。

圖3

此外，當(dāng)光通過兩個(gè)或多個(gè)狹縫并在每個(gè)狹縫處發(fā)生衍射時(shí)，衍射圖案重疊并產(chǎn)生干涉圖案，如圖 [4] 所示。當(dāng)狹縫和狹縫之間的距離相對于波長足夠?qū)挄r(shí)，這不是問題，如圖 [4] 的 (a) 所示。但是，如果狹縫和狹縫之間的距離很窄，如 (b) 所示，就不可能在 PR 上準(zhǔn)確地顯影所需的圖案。換句話說，草圖上的線條越窄，線條之間的空間越小，就越難以精確地展開草圖。

圖4

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，晶體管變得越來越小。因此，光刻中涉及的線變得更窄和更密集。這意味著光刻工藝的難度越來越大。我們是如何克服這些光刻障礙的？

有幾種不同的方法可以克服光屬性帶來的限制。讓我們看一些如何克服與衍射和干涉相關(guān)的問題的例子。

A.Multi Patterning Technology (MPT)

如果問題是衍射光線之間的干涉，那么也許我們可以將光線分散得更遠(yuǎn)一些？將狹縫放置得更遠(yuǎn)是克服光衍射問題的一種方法。在圖 [5] (a) 中，使用 4 個(gè)狹縫進(jìn)行圖案化。這里，如（b）和（c）所示，4個(gè)狹縫被分成對，狹縫間隔得更遠(yuǎn)。通過以這種方式形成圖案，可以減少干擾。

圖5

B. OPC - 太小？讓它變大。太大？讓它變小！

在射箭中，如果瞄準(zhǔn)目標(biāo)中心的箭在某個(gè)方向偏離了路線，我們會(huì)通過調(diào)整相反方向的目標(biāo)來糾正這個(gè)錯(cuò)誤。換句話說，我們重新計(jì)算我們的目標(biāo)以補(bǔ)償錯(cuò)誤。在創(chuàng)建掩模以糾正圖案化錯(cuò)誤時(shí)，可以采用類似的方法。此過程稱為光學(xué)接近校正 (OPC)。在這種方法中，如圖 [6] 的過程所示，掩膜本身使用來自最終結(jié)果的反饋故意扭曲。

圖6

由于光的性質(zhì)，我們以各種不同的方式克服了光刻工藝的限制。然而，歸根結(jié)底，由光的特性引起的問題的最根本解決方案是減少波長。這是因?yàn)椴ㄩL決定了衍射的程度。較短的波長使光被衍射的角度變窄，并提高了光刻工藝的性能。您需要使用更細(xì)的畫筆來繪制更細(xì)的線條。如圖 [7] 所示，使用較短的波長是解決較長波長造成的圖案化限制的解決方案。

圖7

這就是為什么光刻工藝的進(jìn)步涉及減少用于圖案化的光的波長以繪制更小的草圖，即更小的圖案，如圖 [8] 所示。

圖8

然而，即使是 ArF 的波長（198nm）也太大，無法滿足對更小晶體管的需求。這就是 EUV（極紫外）的用武之地。

EUV 是我們一直在等待實(shí)現(xiàn)更短波長的解決方案。EUV 最值得注意的特點(diǎn)是它的短波長。精確的圖案化需要短波長，而采用 EUV 的原因是為了實(shí)現(xiàn)更短的波長。我們使用具有 13.5nm 極短波長的 EUV，如圖 [9] 所示。

圖9

因此，從 193nm ArF 到 13.5nm EUV 的轉(zhuǎn)變意味著一個(gè)巨大的飛躍。現(xiàn)在讓我們仔細(xì)看看 EUV 實(shí)現(xiàn)的光刻工藝。

A. 高能等離子體產(chǎn)生的短波長

上面的圖 [9] 顯示了我們都熟悉的彩虹色光譜。當(dāng)我們向更短的波長移動(dòng)時(shí)，我們會(huì)得到紫外線，導(dǎo)致我們曬傷，然后是 X 射線，它可以直接穿過我們的肌肉，然后是伽馬射線，它們的威力足以摧毀癌細(xì)胞。換句話說，光的波長越短，它的能量就越強(qiáng)。由于短波長光具有高能級，因此產(chǎn)生較短波長的光需要更多的能量。它類似于棒球。如果你想把球打得更遠(yuǎn)更快，那么你需要更用力地?fù)]動(dòng)球棒。但是用于產(chǎn)生傳統(tǒng) DUV 光的激光器的能量水平不足以產(chǎn)生我們需要的短波長。這就是為什么 EUV，如圖 [10] 所示，使用等離子體（物質(zhì)的第四態(tài)）。

圖10

創(chuàng)建 EUV 的過程需要一個(gè)特殊的設(shè)備，如圖 [410 所示。這個(gè)特殊的裝置就是一個(gè)聚光鏡。鏡子不僅是創(chuàng)造 EUV 光的關(guān)鍵組件，而且在使用 EUV 光的所有過程中都是至關(guān)重要的組件。事實(shí)上，反射鏡是 EUV 技術(shù)中的關(guān)鍵元素。下面，我們就來仔細(xì)看看鏡子。

B. 反射光學(xué)系統(tǒng) - 使用鏡子代替透鏡。

光的波長越短，就越容易被其他物質(zhì)吸收。EUV 的極短波長意味著它即使在稀薄的空氣中也很容易被吸收。為了避免這種情況發(fā)生，EUV 設(shè)備（使用 EUV 光的光刻設(shè)備）中的工藝在真空中進(jìn)行。減少這種光吸收也是在 EUV 工藝中使用反射鏡而不是透鏡的原因。EUV 具有如此短的波長，以至于大部分光在通過時(shí)被透鏡吸收。使用鏡子反射而不是透射光可以減少 EUV 的吸收量。只有當(dāng)吸收最小化并且有足夠的 EUV 光到達(dá)光刻膠時(shí)，才能發(fā)生正確的圖案化，如圖 [11] 所示。

圖11

這就提出了一個(gè)問題。掩膜呢？光不應(yīng)該穿過掩膜嗎？這不會(huì)導(dǎo)致大部分 EUV 光被吸收嗎？用于 EUV 工藝的掩模也可以反射光。圖 [12] (a) 顯示了具有透射或阻擋光的區(qū)域的傳統(tǒng)掩模。在 EUV 工藝中，掩模由反射或吸收光的區(qū)域組成。

圖12

圖 [13] 一目了然地說明了迄今為止解釋的 EUV 光刻工藝。

圖 [14] 簡要回顧了 EUV 和 ArF 之間的差異。

如圖 [14] 所示，EUV 光刻工藝與傳統(tǒng)方法完全不同。使用這個(gè)過程，我們能夠以比以前小得多的比例繪制圖案。但允許比以往更小的圖案并不是 EUV 的唯一優(yōu)勢。

在錢文忠，我們討論了一種使用多遍來創(chuàng)建圖案的方法。這種方法旨在克服較長波長帶來的限制，稱為 MPT（多重圖案化技術(shù)）。雖然 MPT 允許繪制小圖案，但它也有其缺點(diǎn)。如圖 [15] (a) 所示，該過程需要多個(gè)掩膜，并且還涉及多個(gè)通過（步驟）。但如圖 [15] (b) 所示，EUV 的短波長允許僅使用單個(gè)掩模和單程光刻工藝來創(chuàng)建圖案。

圖15

這一優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為時(shí)間、產(chǎn)量和成本方面的優(yōu)勢。

A. 時(shí)間 - 減少過程時(shí)間要求

自然，獲得結(jié)果所需的步驟越多，過程就越耗時(shí)。圖 [15] 的一個(gè)簡單比喻是面包店。在 (a) 中，面包店每四個(gè)小時(shí)制作一條面包。但在 (b) 中，面包店每小時(shí)生產(chǎn)一條面包。步驟要求的減少允許更快的處理速度。

B. ?良率- 減少污染以提高良率

多次通過意味著增加污染的可能性。它就像橡皮泥——你玩得越多，它就會(huì)變得越臟。在半導(dǎo)體工藝中，污染會(huì)降低產(chǎn)量。減少通過次數(shù)有效地消除了多個(gè)影響良率的因素。

C. 成本 - 降低掩膜生產(chǎn)成本

掩膜生產(chǎn)也涉及成本。EUV 用單一掩模代替了先前技術(shù)的多個(gè)掩模，因此也實(shí)現(xiàn)了掩模生產(chǎn)成本的節(jié)省。

EUV 的出現(xiàn)帶來了許多顯著的優(yōu)勢。現(xiàn)在，我們需要探索和開發(fā)更有效地利用這一出色工具的方法。

編輯：黃飛

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