EUV真的準備好了么? | 半導體行業觀察

來源：本文由公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自semiengineering，謝謝。

雖然晶元製造商希望能夠儘快在7nm和5nm工藝中普及極紫外線光刻技術，也就是我們通常所說的EUV，但是，現實往往是殘酷的！在晶元廠商堅持不懈的努力當中，他們悲哀的發現，EUV在應用當中，依然存在著這樣或那樣的問題，阻礙著這一技術用於實際的生產，這也是目前EUV工藝再三推遲的原因之一。

其中越來越讓人擔憂的一個問題就是，如何發現EUV過程中產生的缺陷。基於隨機效應的原理，不難發現，EUV過程中產生的缺陷也是隨機變化的，而不是可以用數據計算得到的。

這些難以避免的隨機因素，在生產過程中就會導致難以預計的隨機缺陷，譬如，圖案粗糙度缺陷或者是晶元接觸孔故障。

不過，這並不是EUV在生產過程中遇到的唯一問題！為了繼續改進這一工藝，廠商們還在繼續開發相關的光源和EUV掩模，涉及到隨機缺陷的部分將會越來越多。而正如之前所說，EUV過程中存在的隨機缺陷，對於整個工藝來說，所導致的後果往往是災難性的，常常會導致晶元故障。所以，晶元製造商必須要發現和預防EUV生產過程中存在的這些隨機缺陷，才能夠確保EUV技術真正的在7nm和5nm工藝中普及。

問題在於行業內只知道隨機缺陷問題出現在哪裡，而對於為什麼會發生卻沒能完全掌握，這也導致了，廠商難以預測缺陷會導致何種結果。此外，行業內的很多廠商並不具備這方面的技術來定位和測量EUV過程中隨機產生的缺陷。

即便我們看到，現在在整個行業中已經有多種多樣的計量和檢測工具來定位和測量晶元中存在的缺陷。但是對於EUV過程中隨機產生的缺陷，目前的方法常常都是無效的。

因此，對於整個行業來說，要麼開發相應的解決方案解決這一問題，要麼就只能一再延後EUV技術的應用。

幸運的是，一些新的技術和頗具前景的計量檢測解決方案已經在實驗室和Fab中出現。在實驗室中，廠商正在用由巨型同步加速器存儲環供電的X射線技術來獲得新的認識。在Fab中，工具供應商正在開發新的電子束計量系統和軟體技術。

定位問題

此前，由於晶元的工藝製程的提升越來越困難，格芯半導體，英特爾，三星和台積電都希望能夠在7nm和5nm工藝中用到EUV光刻技術，來提升晶元的關鍵性能。

與此同時，ASML也正式發售了其首個量產型EUV光刻機。這一設備能夠通過電源將等離子輻射轉換成波長13.5nm的光子，然後將光線從多層反射鏡中反射出去後，光線在照射到掩模板的同時不斷向晶圓移動。

接著，光子撞擊到光刻膠併產生化學反應。光刻膠作為一種光敏聚合物能夠在化學反應的作用下使器件形成預設中的圖案。

這一原理在今天的248nm和193nm波長的光刻技術中被廣泛使用，雖然晶元廠商採用的是化學放大光刻膠（CARs），但是原理大致如此。在光刻過程中，光子撞擊光刻膠產生酸，然後在曝光後烘烤的過程中，在進行酸催化反應。雖然原理大致相同，但是對於EUV來說，反應是完全不同的。

因為，EUV單光子所包含的能量（92eV）是193nm波長單光子所包含能量(6.4eV)的14倍以上。所以，在相同的曝光量下，EUV光子的數量減少了14倍。

在EUV工藝中，光子首先被光刻膠吸收，產生電子。然後這些電子產生次級電子，次級電子擊中光酸產生劑，產生光酸。然後將光刻膠經過烘烤後，之前產生的光酸將會通過材料進行擴散。

而以上所說的化學反應就是隨機缺陷產生的源頭，然而最大的困難就是這些反應中存在這許多未知因素的干擾。「由於這一複雜的物理化學反應過程存在著一些未知因素，因此整個行業對它還缺乏相對完整的理解。」IMEC的董事Gregory McIntyre表示。

按照IMEC解釋來看，在這一過程中至少存在著一對未知因素。

首先，在反應過程中被光刻膠吸收的光子數量的變化。

其次，光子能夠產生多少電子，多少電子能夠轉化為次級電子，以及其中涉及到的能級的變化。

因此，當EUV照射光刻膠時，每一次都可能產生不同的結果，最要命的就是，這些結果幾乎都是隨機的。

在EUV過程中，當光子多次連續不斷的擊中光刻膠的時候，每一次產生的結果也可能不同。從其中一種結果向下一種結果演變的現象，我們稱之為光量子散射雜訊。

無論是隨機性還是量子散射雜訊都是關鍵問題，「整個行業在7nm工藝的生產過程中，還能夠勉強使用EUV技術。但是，業界普遍認為，隨著工藝的提升，量子雜訊問題將會成為下一個EUV不得不克服的問題。」D2S的首席執行官Aki Fujimura表示。

在每一個工藝節點中，由隨機效應產生的實際缺陷隨時都會產生並且一直存在著。「但是由於晶元的尺寸在縮小，相對而言這些缺陷所造成的影響就會急劇增加，尤其是當工藝從7nm縮小到5nm的時候，問題更加嚴重。」Fractilia的首席技術官 Chris Mack認為。

此外，還存著在其他一些問題。

「在成像過程中，需要襯底和光刻膠之間能夠很好的匹配。」Brewer Science的首席技術官James Lamb表示，「我們所要面臨的挑戰除了如何讓晶元變得更薄之外，就是如何消除存在的隨機缺陷，、LER 和 LWR圖形邊緣粗糙度。」

一個異常複雜的問題，「我們的目標是減少隨機缺陷的數量和可能產生的影響，這往往需要付出更多的時間來發現和解決缺陷，」Lamb說。

發現缺陷是一項艱巨的任務，但是絕不僅僅是唯一需要克服的挑戰。「當今我們要克服的不僅僅是缺陷的數量，還有在正確的節點發現真正需要克服的缺陷。」Lam Research的總經理Richard Wise認為，「問題在於，很多時候在工藝過程中，隨機缺陷是很難被發現的，因為光刻膠與其內部物質的界限並不是很明顯。而且，當光刻膠曝光不足的時候，就無法產生足夠的光子，這時候產生的缺陷非常小，需要花費非常多的精力去尋找。」

哪一個缺陷才是必須要克服的。「通常需要一天的時間才能夠找到一個缺陷。」Wise強調，在一般情況下，任何一個被忽視的缺陷都可能讓產品報廢。

實驗室中的挑戰

業界正在試圖從多個角度來解決這些問題。一般來說，在實驗室中，因為目標是分析材料以確保能夠更好的了解光子和光刻膠之間的化學反應。

為此，行業內使用了各種不同的測量技術。

舉例來說，去年的一篇論文提到，光刻高級研究中心(ARCNL)研究出了用於EUV的金屬雜化無機材料。雖然目前為止還未研究出其中的原因，但是不可否認的是，含金屬的光刻膠比一般的擁有更高的靈敏度。

為了更加深入的了解這些分子結構，ARCNL用HAXPES（X射線光電子能譜技術）來測量和探測材料中的電子特性。

在這種情況下，HAXPES光譜儀是由來自HZB的同步輻射光源供電，同步輻射光源是一個巨大的圓環，能夠產生X射線光譜輻射。

在這一方面，Imec通常會使用類似的X射線技術來進行EUV光刻膠的吸收與反應的研究工作。Imec也在嘗試使用其他電子躍遷光譜進行化學分析技術研究。

「雖然每一項技術措施都是非常具體的，但是它們很難給研究工作者全面而具體地描述曝光過程中發生的事。因此我們面臨的一個挑戰就是要把所有的信息整合起來，組成一個有助於改進工藝的相對完整的模型。」Imec的McIntyre表示。

因此，這個行業需要全新的解決方案。「在EUV領域，對於輻射化學的研究不僅僅涉及到我們平時所研究的能量效應，也涉及到諸如軌道角動量一類的量子效應。」McIntyre認為，為了更加充分的了解整個反應過程，超快速瞬態光譜和3D成像，分子建模技術也是必要要使用的。這些可以在不同的時間區間，如阿秒/飛秒/皮秒/納秒時間尺度上，針對電離過程進行探測、測量、成像和解釋。可以同時分析發生在高價電子能級（92eV至30eV）的局部分子反應，以及發生最終化學反應的低價電子能級的非局部分子反應。這些檢測方法將會有助於研究者弄清楚整個EUV光化學反應過程和機制。「

顯然在Fab廠中安裝一個類似的同步輻射電子存儲環是非常不切實際的行為，不僅僅在於這一設備體積大，造價昂貴，也因為這一設備在工廠中存在著很多安全問題。

因此，就出現了另外一種研究方法。

PSI研究所提出了一種利用X射線干涉光束（XIL）的化學反應，同樣也能夠提供相同能量範圍的光束。

這一研究提出了從另一個角度來測量反應過程中產生的次級電子混沌效應(SEB)的實驗方法。

「EUV中的光束被光刻膠吸收之後，產生了次級電子，然後才產生了之後的化學反應。電子的有效行程範圍，我們稱之為SEB。」PSI先進光刻技術和計量組的組長Yasin Ekinci表示。

「EUV極紫外光刻的光子與光刻膠材料的相互作用與DUV光刻有著根本的不同。EUV光刻的反應機制類似於電子束光刻，相對而言，電子束光刻所產生的次級電子通常可以傳播幾微米遠，而EUV光刻的次級電子傳播距離為幾納米。通常來說SEB並不是一件壞事，它可以成為解析度的一種限制因子。當然前提是還需要一些靈敏度方面的限制，這是一種新的RLS解析度/粗糙度/光敏性的取捨。」

最近的研究顯示，光刻膠每吸收一個EUV光子，平均會產生2-4個電子。

「我認為對每一個光子產生的電子數量進行準確的實驗和理論計算不僅僅是非常困難的，也是異常模糊的。所以，我們應當對一些比較有用的數據進行測量，比如能夠引起化學變化的次級電子數量的平均數是多少。」Ekinci認為。

PSI在實驗中發現了什麼呢？「由於幾乎不可能準確的衡量反應過程中發生了什麼，所以只能設法採用相對間接的方式進行測量。在最新的研究中，我們通過測量EUV曝光和顯影過程中光刻膠減少的厚度來間接測量。將得出的數據與透明基板和高吸收基板下的兩組數據進行對比。通過這一方法可以觀察到，如果電子進入了光刻膠，那麼襯底上剩餘的光刻膠就會發生一定的變化。」

在另一項研究中，PSI測量了每個吸收一個光子的光刻膠所消耗的體積，對於非化學增強型光刻膠，通過測量之後發現這一直徑範圍一般在2nm。最終得出的結果發現，在兩種不同的方法，其結論大致相同。

Fab中的挑戰

除了實驗室中，在Fab中也存在著諸多的挑戰。由於生產模式的不同，在EUV工藝過程中，往往會隨機產生一些邊緣粗糙的圖案。事實上，圖案邊緣有時候是粗糙的，我們稱之為線邊緣粗糙度（LER），一般反映的是圖案邊緣上的變化。

線邊緣粗糙度也會產生非常嚴重的問題。

首先，它會影響晶體管的性能。

其次，線邊緣粗糙度不會隨著特徵尺寸的縮小而縮小。根據Fractilia的說法尤其是在10nm以下，這些粗糙度將會對晶元本身的性能產生很大影響。

如何衡量這一粗糙度呢？有時候會使用掃描電子顯微鏡（CD-SEM）來進行量測。CD-SEM機台將電子束髮射到樣品當中，與樣品中的電子相互作用，再將信號反饋回系統，從而實現自上而下，測量寬度與高度。

通過測量線邊緣粗糙度，能夠檢測圖案邊緣處可能存在的問題。目前，根據國際半導體技術發展路線圖ITRS的定義，線邊緣粗糙度的度量範圍為量測2μm長的圖形的線寬的3σ 變異量。

Fractilia的Mack表示，」在10nm範圍以下，半導體工程師需要更加清晰地認識圖像粗糙對工藝和器件性能的影響，「問題在於，目前並沒有更好的工具和技術來達成這一目的。

此外，CD-SEM在使用過程中的信噪比也會成為一個重要的問題，其產生的誤差，與實際值之間總會存在一定的差值。

為了解決這一問題，Fractilia最近推出了一款用於測量LER的軟體工具，並可與不同供應商的CD-SEM機台一起工作，這一軟體能夠幫助減少測量過程中產生的誤差，並預測粗糙度可能帶來的影響。

通常情況下，CD-SEM掃描產生的圖像樣本可以用ALM線性掃描量測模型進行處理。「而Fractilia提供的軟體雖然不能直接使用ALM，但是卻可以替代ALM檢測SEM圖像中的所有特徵圖案的邊緣。這是該軟體能做到的第一步。除此之外，該軟體還可以檢測並計算邊緣的功率譜密度PSD，畢竟最難的部分就是從SEM圖像中檢測到邊緣。」Mack強調。

計算功率譜密度（PSD）非常關鍵。「PSD是一種統計粗糙邊緣的數學方法。」Mack解釋道，「PSD給出的不僅僅是簡單的數據，完整的分析中還包含低頻率下的粗糙度，以及高頻下的粗糙度有多大。所以，我們能把PSD看做是超多信息的集合，遠超我們所需要的數據。」

換句話來說，之前所說的3σ的數據並不足以支撐整個線邊緣粗糙度（LER），實際工作中需要更多的數據。

「線邊緣粗糙度的表徵也不應當只局限在平均的偏差數計算上。」東京電子美國技術研發中心的蝕刻工藝開發經理Angélique Raley表示。

「想要了解從光刻到刻蝕底層的粗糙度傳播，更深入地理解不同頻域的線寬粗糙度是不可或缺的。」Raley認為，了解低，中，高頻域是否造成整個過程的粗糙度變化是識別和解決這一變化的根本的途徑和關鍵。

錯誤的接觸

現在，Fractilia和其他一些組織正在著手解決下一個挑戰——接觸孔故障。

現在比較先進的邏輯晶元都包含了數十億個或者更多的微型接觸點，如果在EUV的過程中存在任何一點故障，都可能誘發隨機缺陷，最可怕的就是，任何一個錯誤的接觸，都有可能使整個晶元失效。

一個錯誤的接觸孔可能包括一個並不需要的微連接micro bridge或者是兩個接觸孔完全合併到一起，通常我們稱之為「缺失或者錯誤的接觸孔」。

「在45nm的工藝下，你可能知道晶元缺陷是由特定位置的設計造成的。對於EUV工藝而言，更大的挑戰在於，這些缺陷更加隨機。」KLA-Tencor全球客戶高級主管Neeraj Khanna認為，「在EUV工藝中，需要更多的過程式控制制，才能夠控制成品率。雖然，通過調試，工程師能夠找到儘可能多的缺陷。然而，我們真正要做的是找到缺陷的根源，而不是單純找到缺陷。相對於16nm/14nm工藝而言，7nm工藝需要更小的工藝窗口。」

當然，挑戰還不僅限於此。

「除了錯誤的接觸孔。我們還需要看一下是否可以用EUV工藝來製作SAQP工藝的分割層。當然，只要解決了各方面的問題，原本需要用到多次不同掩膜版曝光才能完成的分割層，現在通過EUV一次掩膜版曝光就可以實現。」應用材料計量與過程式控制制部主任Ofer Adan認為，「我們不僅需要檢查分割圖形的CD，還需要檢查布局。這就是所謂的邊緣放置誤差。」

以上所說的一切給Fab廠帶來了不少麻煩。

理論上，晶元製造商必須對晶圓上的每一塊晶元進行取樣研究，尋找造成隨機缺陷的接觸孔。

但是這種工作往往是令人望而生畏的，因為數量過於龐大，因此，這就要求行業內必須推出一種測量工具，進行更加快捷的測量以針對即使不是上億次也是數百萬次的檢測需求。

為此，應用材料和ASML正在開發一種新的電子束檢驗機台，或者所謂的大規模的CD量測機台。這一機台準確來說就是一個增強的電子束檢測系統，類似CD-SEM和OVL套刻精度測量機台。

CD-SEM測量通常只能局限在比較小的範圍內，這就使得電子束檢測的時候需要降低靈敏度才能夠發現晶元中的最小缺陷，所以檢測速度並不快。

兩全其美的方法則是電子束檢驗技術，設備製造商採用電子束檢測系統，並在CD-SEM中加入圖像測量演算法，就使得機器能夠在全局範圍內進行測量。

「電子束量測機台測量的越快，在短時間內在每個晶圓上的測量值就越多。」GlobalFoundries的先進工藝模組副總監兼高級經理Alok Vaid強調，「雖然這仍然屬於電子束的範疇，但是卻可以獲得更大的視野，也就意味著能夠看到的更多。當視野的解析度和成像技術足夠成熟，就能夠獲得更多的信息來加速測量。」

不過，至少現在這一工具也存在著一些局限性。它只能夠提供一部分測量數據，而不是全部的測量數據，該工具能夠同時處理數以百萬計的測量，所以，行業內還是需要更加先進的工具。

說在最後的話

儘管，以上說到的這些工具總能夠提供一些有價值的信息，但是對於不斷發展的行業來說，對於新的量測的需求是隨著爆炸式的數據量同時出現的。

更何況，除了研發新的工具之外，還需要將這些量測機台真正的應用到Fab廠的生產過程中去，而這一過程中，Fab需要不斷的調試，收集大量的數據。

許多Fab廠的機台都還沒有為這一生產過程做好準備。

「我們希望量測設備供應商能夠與工藝設備供應商更加緊密的合作，將更多關鍵的信息整合在一起。」Vaid表示。

雖然，目前還不清楚這將需要多長的時間，或者說如何才能最終實現這一目標，但是如果整個行業都放慢腳步的話，EUV也將再一次延期，顯然，這並不是整個行業樂於看到的！

致謝：

本文由楊曉松工程師幫忙校正，特此感謝！

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