Extrémní ultrafialová litografie - Extreme ultraviolet lithography

Extrémní ultrafialová litografie (také známý jako EUV nebo EUVL) je litografie (hlavně tisk / výroba čipů aka "výroba") technologie využívající řadu extrémní ultrafialové záření (EUV) vlnové délky, zhruba přesahující 2% FWHM šířka pásma asi 13,5 nm.

Zatímco technologie EUV je k dispozici pro masovou výrobu, 53 strojů po celém světě je schopných vyrábět oplatky pomocí této techniky byly dodány v letech 2018 a 2019, zatímco 201 ponorná litografie systémy byly dodány ve stejném období.^{[1][2][je zapotřebí lepší zdroj ]} Problémy, které ztěžují přijetí EUV, jsou náklady na nástroje (skenery EUV pro ASML mohou stát až 120 milionů USD^[3][4]), doba provozuschopnosti nástroje a stochastický jevy.^[5] Nejnovější nástroje NXE: 3400 byly vybaveny nižší schopností plnění zornice pro lepší zobrazování,^[6] ale to vede k nižší produktivitě v důsledku omezeného využití pole expozice.^[7] Několik zásadních otázek stále přetrvává.^[8]

Od roku 2020 jsou Samsung a TSMC jedinými společnostmi, které použily EUV ve výrobě, zaměřené hlavně na 5nm. Na veletrhu IEDM 2019 společnost TSMC oznámila použití EUV pro 5nm v kontaktu, přes, kovové vedení a řezané vrstvy, kde lze řezy aplikovat na žebra, brány nebo kovové vedení.^[9][10] 5nm společnosti Samsung je litograficky stejné konstrukční pravidlo jako 7nm s minimální roztečí 36 nm.^[11]

Aktuální problémy EUV. Fotony EUV mají mnohem vyšší energii než ArF (6,4 eV), což vede k významným novým účinkům. Červená označuje kompromis pro rotaci křížové štěrbiny a fotoelektrony / sekundární elektrony.

Mechanismus formování obrazu v litografii EUV. Horní: Vícevrstvý EUV a absorbér (fialový) tvořící vzor masky pro zobrazení čáry. Dno: Záření EUV (červené) odražené od vzoru masky je absorbováno v rezistenci (žlutá) a substrátu (hnědá) a vytváří fotoelektrony a sekundární elektrony (modrá). Tyto elektrony zvyšují rozsah chemických reakcí v rezistenci. Sekundární elektronový vzor, ​​který má náhodnou povahu, je navrstven na optický obraz. Nežádoucí vystavení sekundárním elektronům má za následek ztrátu rozlišení, pozorovatelnou drsnost okraje čáry a variaci šířky čáry.

Stochastický aspekt zobrazování EUV. Šum fotonového záběru může způsobit významnou místní změnu dávky, která může překročit práh tisku (tečkovaná čára).

Masky

EUV fotomasky práce odrazem světla,^[12] čehož je dosaženo použitím více střídajících se vrstev molybden a křemík. To je na rozdíl od konvenčních fotomasek, které fungují blokováním světla pomocí jediné chromové vrstvy na křemenném substrátu. Maska EUV se skládá ze 40 střídavých vrstev křemíku a molybdenu;^[13] tato vícevrstvá působí tak, aby odrážela ultrafialové světlo Braggova difrakce; odrazivost je silná funkce úhlu dopadu a vlnové délky, přičemž delší vlnové délky odrážejí více blízký normální dopad a kratší vlnové délky odrážející více od normální dopad. Vzor je definován v absorpční vrstvě na bázi tantalu přes vícevrstvou.^[14] Vícevrstvá vrstva může být chráněna tenkou vrstvou ruthenia. ^[15][16]

Výrobní

Prázdné fotomasky vyrábějí hlavně dvě společnosti: AGC Inc. a Hoya Corporation.^[17][18] Prázdná fotomaska ​​je pokryta fotorezist, který je poté vystaven pomocí a laser, použitím bezmasková litografie.^[19] Vystavený fotorezist je vyvinut (odstraněn) a nechráněné oblasti jsou leptány. Zbývající fotorezist se poté odstraní. Masky jsou poté zkontrolovány a později opraveny pomocí paprsek elektronů.^[20] Leptání musí být provedeno do velmi specifické hloubky, což ztěžuje leptání ve srovnání s konvenční výrobou fotomasek.^[21]

Nářadí

Nástroj EUVL, Lawrence Livermore National Laboratory.

Nástroj se skládá z laserového cínového (Sn) plazmového světelného zdroje, reflexní optiky obsahující vícevrstvá zrcadla, obsažená v prostředí vodíku. Vodík se používá k udržení zrcadla kolektoru EUV ve zdroji bez usazování Sn.^[22]

EUVL představuje významný odklon od standardu hluboké ultrafialové litografie. Všechna hmota pohlcuje EUV záření. Proto litografie EUV vyžaduje vakuum. Všechny optické prvky, včetně fotomaska, musí používat bezchybný molybden / křemík (Mo /Si ) vícevrstvy (skládající se z 40 vrstev Mo / Si), které odrážejí světlo pomocí interference mezi vrstvami; kterékoli z těchto zrcadel absorbuje přibližně 30% dopadajícího světla.

Současné systémy EUVL obsahují nejméně dva kondenzátor vícevrstvá zrcadla, šest projekčních vícevrstvých zrcadel a vícevrstvý objekt (maska). Protože zrcadla pohlcují 96% světla EUV, musí být ideální zdroj EUV mnohem jasnější než jeho předchůdci. Vývoj zdroje EUV se zaměřil na plazmy generované laserem nebo výbojovými impulsy. Zrcadlo odpovědné za sbírání světla je přímo vystaveno plazmě a je citlivé na poškození vysokou energií ionty^[23][24] a další nečistoty^[25] jako jsou kapičky cínu, které vyžadují každoroční výměnu nákladného sběrného zrcadla. ^[26]

Požadavky na zdroje

Zdroj: Gigaphoton, Sematech Symposium Japan, 15. září 2010

Požadované zdroje jsou pro EUV v porovnání s Ponoření do 193 nm, dokonce i při použití dvou expozic. Společnost Hynix na sympoziu EUV v roce 2009 uvedla, že účinnost zásuvky byla pro EUV ~ 0,02%, tj. Pro získání 200 wattů při středním zaostření na 100 destiček za hodinu by bylo zapotřebí 1 megawatt vstupního výkonu, ve srovnání se 165 -kilowattů pro ponorný skener ArF a že i při stejné propustnosti byla stopa skeneru EUV asi 3x větší než stopa ponorného skeneru ArF, což vedlo ke ztrátě produktivity.^[27] Kromě toho může být pro omezení iontových zbytků zapotřebí supravodivý magnet.^[28]

Typický nástroj EUV váží 180 tun.^[29]

Shrnutí klíčových funkcí

Následující tabulka shrnuje klíčové rozdíly mezi systémy EUV ve vývoji a Ponoření do ArF systémy, které se dnes ve výrobě často používají:

Různé stupně rozlišení mezi nástroji 0,33 NA jsou způsobeny různými možnostmi osvětlení. Navzdory potenciálu optiky dosáhnout rozlišení pod 20 nm, sekundární elektrony v rezistenci prakticky omezují rozlišení na přibližně 20 nm.^[39]

Napájení, propustnost a doba provozu světelného zdroje

EUV TPT jako funkce dávky. Propustnost destičky nástroje EUV je ve skutečnosti funkcí expoziční dávky pro výkon pevného zdroje.

Produktivita EUV po dobu 13 týdnů. Průměrná týdenní produktivita na skutečném zákaznickém nástroji je kolem 1 000 destiček / den, někdy méně.

Neutrální atomy nebo kondenzované látky nemohou emitovat záření EUV. Ionizace musí předcházet emisi EUV v hmotě. Tepelná produkce vícebodových kladných iontů je možná pouze v horké hustotě plazma, který sám silně absorbuje EUV.^[40] Od roku 2016 je zavedeným světelným zdrojem EUV laserově pulzovaná cínová plazma.^[41] Ionty absorbují světlo EUV, které emitují, a jsou snadno neutralizovány elektrony v plazmě za podmínek nižšího náboje, které produkují světlo hlavně při jiných, nepoužitelných vlnových délkách, což má za následek mnohem nižší účinnost generování světla pro litografii při vyšší hustotě plazmatického výkonu.

Výkon je vázán na výkon zdroje dělený dávkou.^[42] Vyšší dávka vyžaduje pomalejší fázový pohyb (nižší propustnost), pokud nelze zvýšit pulzní výkon.

Odrazivost kolektoru EUV degraduje ~ 0,1-0,3% na miliardu 50kHz pulzů (~ 10% za ~ 2 týdny), což vede ke ztrátě doby provozuschopnosti a propustnosti, zatímco i pro prvních několik miliard pulzů (do jednoho dne) je stále 20% (+/- 10%) fluktuace.^[43] To by mohlo být způsobeno výše uvedeným hromadícím se zbytkem Sn, který není zcela vyčištěn.^[44][45] Na druhou stranu konvenční ponorné litografické nástroje pro dvojité vzorování poskytují konzistentní výstup po dobu až jednoho roku.^[46]

V poslední době má iluminátor NXE: 3400B menší poměr plnění žáků (PFR) až na 20% bez ztráty přenosu.^[47] PFR je maximalizován a větší než 0,2 kolem rozteče kovu 45 nm.^[48]

Vzhledem k použití zrcadel EUV, která absorbují také světlo EUV, je na plátku konečně k dispozici jen malá část zdrojového světla. Pro osvětlovací optiku se používají 4 zrcadla a pro projekční optiku 6 zrcadel. Maska EUV nebo záměrný kříž je samo o sobě dalším zrcadlem. S 11 odrazy jsou na plátku k dispozici pouze ~ 2% světla zdroje EUV.^[49]

Doba provozuschopnosti nástroje

Světelný zdroj EUV kromě propustnosti omezuje provozuschopnost nástroje. Například za dvoutýdenní období lze naplánovat více než sedm hodin odstávky, zatímco celkový skutečný odstávka včetně neplánovaných problémů může snadno překročit den.^[49] Chyba dávky nad 2% zaručuje výpadek nástroje.^[49]

Srovnání s jinými litografickými světelnými zdroji

Zatímco nejmodernější 193 nm ArF excimerové lasery nabízejí intenzitu 200 W / cm²,^[50] lasery pro výrobu plazmy generující EUV musí být mnohem intenzivnější, řádově 10¹¹ W / cm².^[51] Nejmodernější ponorná litografie ArF 120 W světelný zdroj nevyžaduje více než 40 kW^[52] zatímco zdroje EUV mají být vyšší než 40 kW.^[53]

Energetický cíl pro litografii EUV je nejméně 250 W, zatímco u jiných konvenčních litografických zdrojů je to mnohem méně.^[49] Například ponorné litografické světelné zdroje cílí na 90 W, suché zdroje ArF 45 W a zdroje KrF 40 W. Očekává se, že zdroje EUV s vysokou NAV budou vyžadovat alespoň 500 W.^[49]

Stochastické problémy EUV

Místní distribuce dávek ze statistik Poisson (hluk výstřelu). Lokálně v měřítku nanometrů číslo fotonu vstupující do rezistence přirozeně kolísá kolem průměru, což má za následek poměrně širokou distribuci skutečných dávek v oblastech, kde má být konstantní, např. Podél hrany prvku.

Rozdělení dávky vs. průměrná dávka. Zvýšení středního počtu fotonů zpřísní distribuci podle Poissonových statistik. I když je průměrná dávka čtyřnásobná, vzdálenost mezi vzdálenými ocasy obou distribucí je více než dva řády v rozdílu.

Rozostření separace fotonů vedoucí k většímu stochastickému dopadu. Rozostření vyvolává různé fázové rozdíly (zde zobrazené jako různé barvy) mezi interferujícími paprsky z různých bodů zornice, což vede k různým obrazům. Fotony z různých bodů proto musí být rozděleny alespoň do několika skupin, což snižuje jejich počet a zvyšuje stochastické účinky.

Pravděpodobnost stochastické vady vs. výšky tónu. Pravděpodobnost závady mostu v kovové lince se zvyšuje s menším poloviční roztečí, ale při dané šířce se zvyšuje s roztečí.

Fotonové dělení mezi difrakčními vzory v zornici. Stochastické efekty se zhoršují rozdělením fotonů na menší počet na difrakční obrazec (každý zde představuje jinou barvu s různým procentem fotonů v kvadrantu zornice) napříč zornicí.^[54][55]

Stochastické vady vznikají z rozostření závislého na dávce. Rozostření závislé na dávce zhoršuje hluk fotonového záběru, což způsobuje, že funkce nebudou tisknout (červeně) nebo překlenout mezeru na sousední objekty (zelená).

Litografie EUV je obzvláště citlivá na stochastické účinky.^[56] U velké populace funkcí vytištěných EUV, i když je drtivá většina vyřešena, některé trpí úplným selháním tisku, např. chybějící díry nebo překlenovací čáry. Známým významným příspěvkem k tomuto účinku je dávka použitá k tisku.^[57] To souvisí s hluk výstřelu , k dalšímu projednání níže. Kvůli stochastickým změnám v příchozích počtech fotonů některé oblasti určené k tisku ve skutečnosti nedosahují prahové hodnoty pro tisk a ponechávají neexponované oblasti defektů. Některé oblasti mohou být přeexponované, což vede k nadměrné ztrátě odolnosti nebo zesíťování. Pravděpodobnost náhodného selhání se exponenciálně zvyšuje s zmenšováním velikosti prvku a pro stejnou velikost prvku zvyšuje vzdálenost mezi prvky také významně zvyšuje pravděpodobnost.^[57][58] Řezy čar, které jsou relativně široce rozmístěny, jsou významným problémem. Výtěžnost vyžaduje detekci náhodných poruch až pod 1e-12.^[57]

Tendence k stochastickým defektům je horší, když se obraz skládá z fotonů z různých vzorů, například z velkoplošného obrazce^[54][55] nebo z rozostření nad velkou výplní zornice.^[59][60]

Pro stejnou populaci může existovat více režimů selhání. Například kromě přemostění příkopů mohou být přerušeny čáry oddělující příkopy.^[57] To lze připsat stochastické ztrátě odporu,^[56] ze sekundárních elektronů.^[61][62]

Koexistence stochasticky podexponovaných a přeexponovaných defektních oblastí vede ke ztrátě dávkového okna při určité úrovni defektu po leptání mezi útesy s nízkou dávkou a vysokou dávkou.^[63] Proto se ztrácí výhoda rozlišení z kratší vlnové délky.

Důležitou roli hraje také vrstva odolnosti.^[57] Může to být způsobeno sekundárními elektrony generovanými podkladovou vrstvou.^[64] Sekundární elektrony mohou z exponovaného okraje odstranit rezistenci přes 10 nm.^[61][65]

Úroveň vady je řádově 1K / mm².^[66]

Šum fotonového záběru lze spojit se stochastickými vadami přítomností rozostření závislého na dávce (modelováno jako Gaussian).^[67]

Specifické optické problémy EUV

Asymetrie obrazu způsobená více zdrojovými body osvětlení. Protože osvětlení masky z různých zdrojových bodů je v různých úhlech, různé body ve skutečnosti vytvářejí různé obrazy. Zleva doprava jsou znázorněné zdrojové body umístěny dále od středu. Rozteč čar je 28 nm.

Náhodné variace vícevrstvé odrazivosti

GlobalFoundries a Lawrence Berkeley Labs provedli studii Monte Carlo za účelem simulace účinků promísení mezi vrstvami molybdenu (Mo) a křemíku (Si) ve vícevrstvě, která se používá k odrážení světla EUV z masky EUV.^[68] Výsledky ukázaly vysokou citlivost na variace tloušťky vrstvy v atomovém měřítku. Takové variace nemohly být detekovány velkoplošnými měřeními odrazivosti, ale byly by významné na stupnici kritické dimenze (CD).^[68]

Šířka pásma vlnové délky (chromatická aberace )

Závislost vlnových délek odrazového úhlového spektra. Odrazivost jako funkce úhlu dopadu významně závisí na vlnové délce. Vložení: Apodizace v důsledku úhlové závislosti způsobuje asymetrické rozdělení po zornici pro různé vlnové délky.^[69]

Posun obrazu kvůli rozostření závisí na vlnové délce. Úhlová závislost vícevrstvé odrazivosti objektu (masky) je pro různé vlnové délky odlišná, což vede k různým posunům při rozostření.

Na rozdíl od zdrojů litografie DUV, založených na excimerových laserech, zdroje plazmy EUV produkují světlo v širokém rozsahu vlnových délek.^[70] Ačkoli EUV spektrum není zcela monochromatické, ani dokonce tak spektrálně čisté jako DUV laserové zdroje, pracovní vlnová délka byla obecně považována za 13,5 nm. Ve skutečnosti je odražený výkon distribuován většinou v rozsahu 13,3-13,7 nm.^[71] Šířka pásma světla EUV odraženého vícevrstvým zrcadlem použitým pro litografii EUV je více než +/- 2% (> 270 pm);^[72] lze vypočítat fázové změny v důsledku změn vlnových délek při daném úhlu osvětlení^[73]a ve srovnání s aberačním rozpočtem.^[74] Závislost na vlnové délce odrazivost^[73][71] také ovlivňuje apodizaci nebo distribuci osvětlení v zornici (pro různé úhly); různé vlnové délky efektivně „vidí“ různá osvětlení, protože se vícevrstvě masky odlišně odrážejí.^[75][71] Toto efektivní naklonění osvětlení zdroje může vést k velkým posunům obrazu v důsledku rozostření.^[76] Naopak, vrchol odražené vlnové délky se mění napříč zornicí v důsledku různých dopadajících úhlů.^[71][77] To se zhoršuje, když úhly pokrývají široký poloměr, např. Prstencové osvětlení. Vlnová délka vrcholové odrazivosti se zvyšuje pro menší úhly dopadu.^[78] Aperiodické vícevrstvy byly navrženy ke snížení citlivosti za cenu nižší odrazivosti, ale jsou příliš citlivé na náhodné výkyvy tloušťek vrstev, například z nepřesnosti kontroly tloušťky nebo interdifúze.^[79] Zejména rozostřené husté čáry na výškách až do dvojnásobku minimálního rozlišitelného výšky trpí posuny okrajů závislé na vlnové délce.^[80]

Užší šířka pásma by zvýšila citlivost na absorbér masky a tloušťku pufru na stupnici 1 nm.^[81][82]

Účinky fázové absorpce masky

Efekt fázového posunu masky EUV. Fázový posun na masce EUV, dokonce i ze slabě světlé oblasti, posune pozici prvku a také změní jeho tištěnou šířku.

Změny obrazu zaostřením. Kontrast obrazu se mění podle očekávání podle zaostření, ale nejlepší umístění zaostření se velmi liší v závislosti na různých faktorech, jako je v tomto případě úhel osvětlení.

Absorbér masky EUV v důsledku částečného přenosu generuje fázový rozdíl mezi 0. a 1. difrakčním řádem vzoru line-space, což má za následek posuny obrazu (při daném úhlu osvětlení) a změny intenzity píku (vedoucí k šířce čáry) Změny)^[83] které jsou dále vylepšeny díky rozostření.^[84][85] Výsledkem jsou nakonec různé polohy nejlepšího zaostření pro různé výšky tónu a různé úhly osvětlení. Obecně je posun obrazu vyvážen kvůli spárování zdrojových bodů osvětlení (každý na opačných stranách optické osy). Samostatné obrázky jsou však superponovány a výsledný kontrast obrazu je snížen, když jsou posuny jednotlivých zdrojových obrázků dostatečně velké. Fázový rozdíl nakonec také určuje nejlepší polohu zaostření.

Reflexní optika

Rozteče a orientace v kovových rozloženích. Změny výšek a orientací v kovových rozloženích způsobí pro litografii EUV komplikace v důsledku použití reflexní optiky.

Základním aspektem nástrojů EUVL, který je výsledkem použití reflexní optiky, je osvětlení mimo osu (pod úhlem 6 stupňů, v jiném směru v různých pozicích uvnitř osvětlovací štěrbiny)^[86] na vícevrstvé masce. To vede k efektům stínování, které vedou k asymetrii v difrakčním obrazci, který různými způsoby degraduje věrnost vzoru, jak je popsáno níže.^[87]

Účinky stínování masky

Stínový efekt na masku EUV. Když je velikost prvku na masce srovnatelná s tloušťkou, je efekt stínu pro vytvořený obraz významnější, protože vzdálenost od stínu není ve srovnání s velikostí prvku zanedbatelná.

Šikmý dopad v reflexním optickém systému vede k stínovým efektům v přítomnosti absorbéru masky. Například jedna strana (za stínem) by vypadala jasnější než druhá (ve stínu).^[88]

H-V asymetrie

EUV H-V rozdíl zaměření. Horizontální a vertikální prvky jsou v optických systémech EUV zaměřeny odlišně. Rozdíl také přináší numerická clona (NA).

EUV ne telecentricita. Vlevo, odjet: Kvůli velkým rozdílům v úhlu vícevrstvého odrazu má jedna strana osvětlovací pupily za následek více odraženého světla. Že jo: Následně bude osvětlení z jedné strany dominantní. To má za následek rozdíl optické dráhy mezi difrakčními řády s ohledem na rozostření, což vede k tendenci k posunu vzoru.

Nejpodstatněji se chování světelných paprsků v odrazové rovině (ovlivňující vodorovné čáry) liší od chování světelných paprsků mimo odrazovou rovinu (ovlivňujících svislé čáry).^[89] Nejnápadněji jsou horizontální a vertikální čáry stejné velikosti na masce EUV vytištěny v různé velikosti na destičce.

Rozdíl dvoubarevného CD vs. zaměření. Rozdíl mezi šířkami dvou sousedních vodorovných čar se liší podle funkce zaostření.

Asymetrie v sadách paralelních linií

Kombinace asymetrie mimo osu a efektu stínování masky vede k zásadní neschopnosti dvou identických znaků, dokonce i v těsné blízkosti, být současně zaostřeny.^[90] Jedním z klíčových problémů EUVL je asymetrie mezi horním a spodním řádkem dvojice vodorovných čar (tzv. „Dva pruhy“). Některé způsoby, jak částečně kompenzovat, jsou použití asistenčních funkcí a asymetrické osvětlení.^[91]

Rozšíření pouzdra se dvěma pruhy na mřížku skládající se z mnoha vodorovných čar vykazuje podobnou citlivost na rozostření.^[92] Projevuje se to rozdílem CD mezi horními a dolními okrajovými řádky sady 11 vodorovných čar. V následující tabulce je uveden rozdíl CD v rozsahu ohniska 100 nm při osvětlení kvasaru (osvětlení kvasaru bude popsáno v části o optimálním osvětlení vs. rozteč).

U výšek 40 nm nebo méně jsou šířky čar 20 nm nebo méně, zatímco rozdíl CD je alespoň 2,5 nm, což vede k rozdílu alespoň 12,5%.

Výskyt se dvěma pruhy v nepravidelném rozvržení. Nepravidelné rozložení může zahrnovat umístění dvou pruhů, která jsou náchylná k asymetrickému zobrazování.

Posun vzoru z rozostření (ne telecentricita)

Funkce masky vertikální umístění

Použití odrazu způsobí, že pozice expozice oplatky je extrémně citlivá na rovinnost záměrného kříže a svorku záměrného kříže. Je proto nutné udržovat čistotu svorky síťky. Malé odchylky (mrad-scale) plochosti masky v místním svahu spojené s rozostřením destičky.^[93] Ještě významněji bylo zjištěno, že rozostření masky má za následek velké chyby překrytí.^[94][95] Zejména pro 10 nm uzlovou kovovou 1 vrstvu (včetně 48nm, 64nm, 70nm výšek, izolovaných a napájecích vedení) byla nekorigovatelná chyba umístění vzoru 1 nm pro posun z-polohy 40nm masky.^[96] Toto je globální posun vzoru vrstvy vzhledem k dříve definovaným vrstvám. Funkce na různých místech se však také posunou odlišně kvůli různým místním odchylkám od plochosti masky, např. Od defektů zakopaných pod vícevrstvou. Lze odhadnout, že příspěvek nerovnosti masky k chybě překrytí je zhruba 1/40 násobek variace tloušťky mezi vrcholy.^[97] Se slepým vzorkem peak-to-valley 50 nm je možná chyba umístění obrazu ~ 1,25 nm. Přispívají také variace tloušťky blanku až do 80 nm, což vede k posunu obrazu až o 2 nm.^[97]

Oplatka rozostření

Posun vzoru kovové vrstvy 10nm proti rozostření. Různé vzory v 10nm uzlové kovové vrstvě (24 nm hp) jsou posunuty odlišně ohniskem, v závislosti na orientaci a poloze štěrbiny, stejně jako uspořádání.

Osvětlení osy mimo osu je také příčinou ne-telecentricity při rozostření destiček, která spotřebovává většinu překrývajícího se rozpočtu 1,4 nm skeneru NXE: 3400 EUV^[98] dokonce i pro návrhová pravidla s volnou výškou 100 nm.^[99] Nejhorší neopravitelná chyba umístění vzoru pro 24 nm linku byla přibližně 1,1 nm, relativně k sousednímu 72 nm elektrickému vedení, na 80 nm posun destičky zaostřovací polohy v jedné pozici štěrbiny; pokud je zahrnut výkon napříč štěrbinami, nejhorší chyba je více než 1,5 nm v okně rozostření destičky^[96] V roce 2017 ukázal aktinický mikroskop napodobující litografický systém 0,33 NA EUV s osvětlením 0,2 / 0,9 kvasaru 45, že kontaktní pole s roztečí 80 nm se posunulo o 0,6 až 1,0 nm, zatímco kontaktní pole s roztečí 56 nm posunulo o 1,7 až 1,0 nm vzhledem k vodorovná referenční čára, v okně rozostření +/- 50 nm.^[100]

Rozostření destiček také vede k chybám umístění obrazu v důsledku odchylek od místní plochosti masky. Pokud je místní sklon označen úhlem α, promítne se obraz v projekčním nástroji 4x o 8 α x (DOF / 2) = 4 α DOF, kde DOF je hloubka ostrosti.^[101] Pro hloubku zaostření 100 nm může malá lokální odchylka od plochosti 2,5 mrad (0,14 °) vést k posunu vzoru o 1 nm.

Závislost polohy štěrbiny

Kruhové pole pro rovnoměrné osvětlení. Kruhové pole označuje pole ve tvaru oblouku používané k dosažení rovnoměrného osvětlení z bodu, který je mimo osu, jako v reflexních optických systémech.

Rotace osvětlení přes štěrbinu kruhového pole. Světlo odražené od zakřivených optických povrchů bude generovat obloukové segmenty.^[102] Úhly osvětlení se otáčejí azimutálně napříč obloukovou štěrbinou (vpravo) kvůli odrazu obloukovitého obrazu z každé polohy zornice jako bodového zdroje (vlevo).^[103][104] Odpovídajícím způsobem se otáčí vícevrstvý distribuční vzor odrazivosti závislý na úhlu a vlnové délce.

Směr osvětlení je také vysoce závislý na poloze štěrbiny, v podstatě azimutálně rotovaný.^{[105][106][36][107][108][109]} Nanya Technology a Synopsys zjistily, že horizontální vs. vertikální předpětí se změnilo přes štěrbinu s dipólovým osvětlením.^[110] Rotující rovina dopadu (azimutální rozsah v rozmezí -25 ° až 25 °) je potvrzena v aktinickém kontrolním mikroskopu SHARP na CXRO, který napodobuje optiku pro projekční litografické systémy EUV.^[111] Důvodem je to, že zrcadlo se používá k transformaci rovných obdélníkových polí na pole ve tvaru oblouku.^[112][113] Aby se zachovala pevná rovina dopadu, odraz od předchozího zrcadla by byl z jiného úhlu s povrchem pro jinou polohu štěrbiny; to způsobí nerovnoměrnost odrazivosti.^[7] Pro zachování uniformity se používá rotační symetrie s rotující rovinou dopadu.^[7][114] Obecněji řečeno, takzvané systémy „kruhového pole“ snižují aberace spoléháním na rotační symetrii pole ve tvaru oblouku odvozeného z mezikruží mimo osu.^[115] To je preferováno, protože reflexní systémy musí používat cesty mimo osu, které zhoršují aberace. Proto by identické vzory matric v různých polovinách štěrbiny ve tvaru oblouku vyžadovaly různé OPC. Díky tomu jsou srovnatelnými smrtícími prostředky neviditelní, protože již nejsou skutečně identickými matricemi. U hřišť vyžadujících osvětlení dipólu, kvadrupólu nebo hexapolu rotace také způsobí nesoulad se stejným rozložením vzoru v jiné pozici štěrbiny, tj. Hrana vs. střed. I při prstencovém nebo kruhovém osvětlení je rotační symetrie zničena výše popsanou vícevrstvou odrazivostí závislou na úhlu. I když je rozsah azimutálního úhlu +/- ~ 20 °^[116] (NXE3400^[117] údaje o poli ukazují 18,2 °^[118]) na skenerech 0,33 NA, při konstrukčních pravidlech 7 nm (rozteč 36-40 nm), může být tolerance osvětlení +/- 15 °,^[119][120] nebo ještě méně.^{[121][122][117]} Neuniformita a asymetrie prstencového osvětlení také významně ovlivňuje zobrazování.^[123]

Závislost polohy štěrbiny je zvláště obtížná pro nakloněné vzory, se kterými se setkáváme v paměti DRAM.^[108] Kromě složitějších efektů způsobených stínováním a rotací zornice jsou nakloněné hrany převedeny do tvaru schodiště, které může být OPC zkresleno. Ve skutečnosti se DRAM 32 nm s roztečí EUV prodlouží až na nejméně 9F² oblast buňky, kde F = aktivní plocha poloviční výšky (tradičně to bylo 6F²).^[124] S 2-D samočinně zarovnaným dvojitým vzorováním aktivní oblasti řezu je oblast buněk stále nižší na 8,9F².^[125]

Rotované dipólové osvětlení. Osvětlení otočeného dipólu (plné tečky) způsobuje degradaci vzoru, protože k zobrazování může přispívat pouze světlo z překrytí mezi originálem (duté tečky) a otočenými místy. Zbývající světlo snižuje kontrast hrany tím, že působí jako nevyvážené pozadí.

Aberace, pocházející z odchylek optických povrchů od subatomárních (<0,1 nm) specifikací^[126] stejně jako tepelné deformace^[127][128] a případně včetně polarizovaných odrazových efektů,^[129] jsou také závislé na poloze štěrbiny,^[130][128] jak bude dále diskutováno níže, s ohledem na optimalizaci zdrojové masky (SMO). Očekává se, že tepelně indukované aberace budou vykazovat rozdíly mezi různými polohami napříč štěrbinou, což odpovídá různým polohám pole, protože každá poloha naráží na různé části deformovaných zrcadel.^[131] Je ironií, že použití podkladových materiálů s vysokou tepelnou a mechanickou stabilitou ztěžuje kompenzaci chyb vlnoplochy^[132]

Světlice

Světlice je přítomnost světla pozadí pocházejícího z rozptylu povrchových prvků, které světlo nerozlišuje. V systémech EUV může být toto světlo EUV nebo out-of-band (OoB) světlo, které také produkuje zdroj EUV. Světlo OoB přidává komplikace ovlivnění expozice rezistence jinými způsoby, než je způsobeno expozicí EUV. Expozici světla OoB lze zmírnit vrstvou potaženou nad rezistorem a také prvky „černého okraje“ na masce EUV.^[133] Vrstvový povlak však nevyhnutelně pohlcuje světlo EUV a černý okraj zvyšuje náklady na zpracování masky EUV.

Efekty hrotu čáry

Obtížnost tip-to-tip pro husté vzory čar. Mezeru mezi konci řádků je obtížné optimalizovat současně s hustými čarami.

Obtížný tisk mezer mezi hroty. Mezera mezi špičkami je jednou z nejtěžších funkcí pro tisk v obousměrném vzoru. Osvětlení podobné dipólu upřednostňuje minimální výšku tónu, ale nikoli ostatní výšky tónu.

Klíčovou výzvou pro EUV je chování proti škálování vzdálenosti linky tip-to-tip (T2T), protože se zmenšuje poloviční rozteč (hp).^[121] To je částečně způsobeno nižším kontrastem obrazu pro binární masky používané v litografii EUV, což se u ponorových litografií s maskami fázového posunu nestretává.^[134][135] Zaoblení rohů konce vlasce vede ke zkrácení konce vlasce,^[136] a to je u binárních masek horší.^[137] Bylo zkoumáno použití masek fázového posunu v litografii EUV, ale naráží na potíže s fázovým řízením v tenkých vrstvách^[138] stejně jako šířka pásma samotného světla EUV.^[139] Více konvenčně, optická korekce blízkosti (OPC) se používá k řešení zaoblení rohů a zkrácení konce řádku. Navzdory tomu se ukázalo, že rozlišení tip-to-tip a tisknutelnost hrotu linky jsou obchodovány proti sobě navzájem, což jsou účinně CD opačné polarity.^[140] Účinnost optických korekcí navíc závisí na dalších neoptických příčinách, jako je odolnost proti rozostření a difúzní efekty, které mohou zahrnovat také sekundární elektronové rozostření (popsáno v části o expozici fotorezistu).^[141] Zdá se také, že větší molekulové hmotnosti a velikosti snižují zaoblení rohů.^[142]

In unidirectional metal layers, tip-to-tip spacing is one of the more severe issues for single exposure patterning. For the 40 nm pitch vertical lines, an 18 nm nominal tip-to-tip drawn gap resulted in an actual tip-to-tip distance of 29 nm with OPC (optical proximity correction),^[121] while for 32 nm pitch horizontal lines, the tip-to-tip distance with a 14 nm nominal gap went to 31 nm with OPC.^[143] These actual tip-to-tip distances define a lower limit of the half-pitch of the metal running in the direction perpendicular to the tip. In this case, the lower limit is around 30 nm. With further optimization of the illumination (discussed in the section on source-mask optimization), the lower limit can be further reduced to around 25 nm.^[144]

For larger pitches, where conventional illumination can be used, the line tip-to-tip distance is generally larger. For the 24 nm half-pitch lines, with a 20 nm nominally drawn gap, the distance was actually 45 nm, while for 32 nm half-pitch lines, the same nominal gap resulted in a tip-to-tip distance of 34 nm.^[143] With OPC, these become 39 nm and 28 nm for 24 nm half-pitch and 32 nm half-pitch, respectively.^[145]

The printed space between a line tip and a perpendicular line it faces is 25-35 nm for 22 nm half-pitch lines (with a 20 nm nominally drawn gap).^[145] For a 22 nm line-space pattern with 22 nm nominal gap, conventional illumination yields a 38 nm tip-to-line distance, while quasar illumination yields a 28 nm distance.^[146] The tip-to-side gap is one of the hardest features to print in a bidirectional pattern.^[145]

Summary of EUV line tip and corner effects:^[147]

Source: Semicon West 2017, IBM

The line end clearance distance of 28 nm essentially forces pitches to be at least 56 nm for EUV single exposure bi-directional patterning. 7 nm node minimum metal pitch is already at 40 nm or below, while gate pitch can also be below 56 nm,^[148][149] so this is an indication that multiple patterning would be needed even for EUV at 7 nm.^[150]

Enhancement opportunities for EUV patterning

Assist features

Assist feature OPC. Assist features help improve the image of isolated features (blue) to be more like dense features (gray). However, the more effective they are, the greater the risk that the assist feature will print (orange).

Pattern effect on SMO. A mere widening of the power rail (top and bottom of sample pattern) leads to significant changes in the optimized pupil as well as reduced focus window, even with the use of assist features.

Assist features are often used to help balance asymmetry from non-telecentricity at different slit positions, due to different illumination angles, starting at the 7 nm node,^[151][152] where the pitch is ~ 41 nm for a wavelength ~13.5 nm and NA=0.33, corresponding to k1 ~ 0.5.^[153] However, the asymmetry is reduced but not completely eliminated, since the assist features mainly enhance the highest spatial frequencies, whereas intermediate spatial frequencies, which also affect feature focus and position, are not much affected. The coupling between the primary image and the self images is too strong for the asymmetry to be completely eliminated by assist features; only asymmetric illumination can achieve this.^[91] Assist features may also get in the way of access to power/ground rails. Power rails are expected to be wider, which also limits the effectiveness of using assist features, by constraining the local pitch. Local pitches between 1x and 2x the minimum pitch forbid assist feature placement, as there is simply no room to preserve the local pitch symmetry. In fact, for the application to the two-bar asymmetry case, the optimum assist feature placement may be less than or exceed the two-bar pitch.^[152] Depending on the parameter to be optimized (process window area, depth of focus, exposure latitude), the optimum assist feature configuration can be very different, e.g., pitch between assist feature and bar being different from two-bar pitch, symmetric or asymmetric, etc..

At pitches smaller than 58 nm, there is a tradeoff between depth of focus enhancement and contrast loss by assist feature placement.^[152] Generally, there is still a focus-exposure tradeoff as the dose window is constrained by the need to have the assist features not print accidentally.

An additional concern comes from shot noise;^[154] sub-resolution assist features (SRAFs) cause the required dose to be lower, so as not to print the assist features accidentally.^[155] This results in fewer photons defining smaller features (see discussion in section on shot noise).

It is now known that the underlying mechanism for the asymmetry is different shadowing from different angles of incidence. Hence, reducing absorber thickness would be the most direct way to resolve the issue.^[156]

Stochastic printing of SRAFs

Stochastic printing of sub-resolution assist features. SRAFs receive low enough doses which are close enough to printing that they will have more significant stochastic impact on printing. Here the SRAF printing error occurs at the far right.

As SRAFs are smaller features than primary features and are not supposed to receive doses high enough to print, they are more susceptible to stochastic dose variations causing printing errors.^[157] This is particularly prohibitive for EUV, where even when the primary feature is printed at 80 mJ/cm², the SRAF suffers from stochastic printing.

Source-mask optimization

Source-mask optimization (SMO) is used to reduce pattern shift for different features in a metal layer (targeted for 16 nm CD with 32 nm anchor pitch) in a single exposure, but cannot satisfy every possible case.

Pitch effect on SMO. SMO carried out targeted for one pitch (32 nm in this case) may have varying performance for other pitches. Here 36 nm has best performance, but barely exceeds the lower NILS limit of 2.0

Due to the effects of non-telecentricity, standard illumination pupil shapes, such as disc or annular, are not sufficient to be used for feature sizes of ~20 nm or below (10 nm node and beyond).^[99] Instead certain parts of the pupil (often over 50%) must be asymmetrically excluded. The parts to be excluded depend on the pattern. In particular, the densest allowed lines need to be aligned along one direction and prefer a dipole shape. For this situation, double exposure lithography would be required for 2D patterns, due to the presence of both X- and Y-oriented patterns, each requiring its own 1D pattern mask and dipole orientation.^[158][159] There may be 200–400 illuminating points, each contributing its weight of the dose to balance the overall image through focus. Thus the shot noise effect (to be discussed later) critically affects the image position through focus, in a large population of features.

Double or multiple patterning would also be required if a pattern consists of sub-patterns which require significantly different optimized illuminations, due to different pitches, orientations, shapes, and sizes.

Impact of slit position and aberrations

Impact of different wavelengths. Different wavelengths effectively have different pupils, resulting in different results of source-mask optimization.

Largely due to the slit shape,^[116] and the presence of residual aberrations,^[160] the effectiveness of SMO varies across slit position.^[161] At each slit position, there are different aberrations^[130] and different azimuthal angles of incidence leading to different shadowing.^[36] Consequently, there could be uncorrected variations across slit for aberration-sensitive features, which may not be obviously seen with regular line-space patterns.^[152] At each slit position, although optical proximity correction (OPC), including the assist features mentioned above, may also be applied to address the aberrations,^[162][163] they also feedback into the illumination specification,^{[164][161][165][166]} since the benefits differ for different illumination conditions.^[162] This would necessitate the use of different source-mask combinations at each slit position, i.e., multiple mask exposures per layer.^[130]

The above-mentioned chromatic aberrations, due to mask-induced apodization,^[75] also lead to inconsistent source-mask optimizations for different wavelengths.

Optimum illumination vs. pitch

Degradation of image quality with pitch reduction under conventional EUV illumination. This has motivated greater consideration of other illumination modes such as QUASAR.

The optimum illumination, taking into account both exposure dose and focus windows, is a strong function of pitch in the range between 32 nm and 48 nm (relevant to 7 nm and 10 nm foundry nodes), which is where most of the work on EUV application has been focused. For pitches larger than 44 nm, the illumination pupil shape is preferably conventional, which is a circular disc, possibly including a central obscuration to provide an annular appearance.^[143] For pitches in the range 44 nm down to 34 nm, the optimum shape is no longer conventional or annular but more shaped like the "quasar" (Quadrupole-shaped Annular)^[167] source, i.e., an arc within each quadrant of the pupil.^[143] For pitches of 32 nm and below, the optimum illumination becomes more dipole like, i.e., concentrated toward the top and bottom or the left and right ends of the pupil.^[121] When source-mask optimization is performed, the resulting shape will resemble the closest of the standard set (conventional, annular, quasar, dipole). For pitches less than 41 nm, the central portion of the pupil must be excluded for a tool with NA=0.33, as 13.5 nm EUV light going through that portion would only contribute the zeroth diffraction order (unscattered light), effectively adding flare.^[168]

Pitch-dependent focus windows

The best focus for a given feature size varies as a strong function of pitch, polarity, and orientation under a given illumination.^[169] At 36 nm pitch, horizontal and vertical darkfield features have more than 30 nm difference of focus. The 34 nm pitch and 48 nm pitch features have the largest difference of best focus regardless of feature type. In the 48-64 nm pitch range, the best focus position shifts roughly linearly as a function of pitch, by as much as 10-20 nm.^[170] For the 34-48 nm pitch range, the best focus position shifts roughly linearly in the opposite direction as a function of pitch. This can be correlated with the phase difference between the zero and first diffraction orders.^[171] Assist features, if they can fit within the pitch, were found not to reduce this tendency much, for a range of intermediate pitches,^[172] or even worsened it for the case of 18-27 nm and quasar illumination.^[173] 50 nm contact holes on 100 nm and 150 pitches had best focus positions separated by roughly 25 nm; smaller features are expected to be worse.^[174] Contact holes in the 48-100 nm pitch range showed a 37 nm best focus range.^[175] The best focus position vs. pitch is also dependent on resist.^[176] Critical layers often contain lines at one minimum pitch of one polarity, e.g., darkfield trenches, in one orientation, e.g., vertical, mixed with spaces of the other polarity of the other orientation. This often magnifies the best focus differences, and challenges the tip-to-tip and tip-to-line imaging.^[177]

Illuminations for advanced nodes

For the foundry "5nm" node, the minimum metal pitch for horizontal lines is taken to be around 32 nm,^[178] for which dipole-like illumination is preferred, but the minimum metal pitch for vertical lines (parallel to the gates) is taken to be around 40 nm,^[178] for which quasar-like illumination is preferred. Moreover, for the foundry "7nm" node, the minimum metal pitch for horizontal lines is taken to be around 40 nm,^[178] for which quasar-like illumination is expected, while the minimum metal pitch for vertical lines can be taken to be around 50 nm,^[178] for which conventional or annular illumination is preferred. For the quasar illumination, the best focus position varies strongly as a function of pitch, particularly 36-40 nm vs. 48-60 nm, as well as over the 48-72 nm range.^[179] For these nodes, it is impossible to have a single EUV exposure illumination setting that fits both metal line directions at different respective pitches. Unidirectional metal layers are expected for these nodes anyway.^[178] The line tip-to-tip gap in this case is expected to be kept small enough by using cut exposures in a vícenásobné vzorování scénář.^[121]

Phase shift masks

Phase profile of attenuated phase shift mask for EUV. The phase profile (red) for an attenuated phase shift mask used with a partially transmitting EUV absorber does not match the ideal profile design (dotted), due to oblique incidence illumination and absorber edge scattering.

A commonly touted advantage of EUV has been the relative ease of lithography, as indicated by the ratio of feature size to the wavelength multiplied by the numerical aperture, also known as the k1 ratio. An 18 nm metal linewidth has a k1 of 0.44 for 13.5 nm wavelength, 0.33 NA, for example. For the k1 approaching 0.5, some weak resolution enhancement including zeslabené masky fázového posunu has been used as essential to production with the ArF laser wavelength (193 nm),^{[180][181][182][183][184][185]} whereas this resolution enhancement is not available for EUV.^[186][187] In particular, 3D mask effects including scattering at the absorber edges distort the desired phase profile.^[187] Also, the phase profile is effectively derived from the plane wave spectrum reflected from the multilayer through the absorber rather than the incident plane wave.^[188] Without absorbers, near-field distortion also occurs at an etched multilayer sidewall due to the oblique incidence illumination;^[189] some light traverses only a limited number of bilayers near the sidewall.^[88] Additionally, the different polarizations (TE and TM) have different phase shifts.^[88]

Sekundární elektrony

EUV light generates photoelectrons upon absorption by matter. These photoelectrons in turn generate secondary electrons, which slow down before engaging in chemical reactions.^[190] At sufficient doses 40 eV electrons are known to penetrate 180 nm thick resist leading to development.^[191] At a dose of 160 μC/cm², corresponding to 15 mJ/cm² EUV dose assuming one electron/photon, 30 eV electrons removed 7 nm of PMMA resist after standard development.^[192] For a higher 30 eV dose of 380 μC/cm², equivalent to 36 mJ/cm² at one electron/photon, 10.4 nm of PMMA resist are removed.^[193] These indicate the distances the electrons can travel in resist, regardless of direction.^[194]

In the most recent measurement of the significant impact of secondary electrons on resolution, it was found that 93 eV photoelectrons (from a gold underlayer) had a 1/e attenuation length of 28 nm in resist.^[195] The electron number attenuation was measured from the fraction of electrons captured in an electrical current from the resist. This indicates 37% of the released electrons still migrate beyond 28 nm from the exposure release point.

More details on secondary electrons in EUV photoresist exposure are provided below.

Photoresist exposure

Když je foton EUV absorbován, fotoelektrony a sekundární elektrony jsou generovány ionizace, podobně jako co se stane, když Rentgenové záření nebo elektronové paprsky jsou absorbovány hmotou.^[196] 10 mJ/cm² EUV photon dose results in the generation of 109 uC/cm² dose of photoelectrons. The more highly absorbing resist removes more light in the top of the resist, leaving less for the bottom of the resist. The larger absorption leads to larger, more significant differences between the absorbed doses at the top and the bottom of the resist.

In other words, the less absorbing the resist, the more vertically uniform the absorption. Conventionally, photoresists are made as transparent as possible to strive for this vertical uniformity, which enables straighter resist profiles. On the other hand, for EUV, this conflicts with the goal of increasing absorption for more sensitivity at current EUV power levels. Shot noise is another concern, to be explained further below.

Impact of photoelectron and secondary electron travel on resolution

Low energy electron blur alters the image by reducing the local dose gradient.

Nízkoenergetická migrace elektronů. Low energy electron travel distance (r) can reach at least several nanometers, even though the distance between electron collisions (scattering) is 1 nm.

A study by the College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) presented at the 2013 EUVL Workshop indicated that, as a measure of EUV photoelectron and secondary electron blur, 50–100 eV electrons easily penetrated beyond 15 nm of resist thickness (PMMA or commercial resist), indicating more than 30 nm range of resist affected centered on the EUV point of absorption, for doses exceeding 200–300 uC/cm².^[197] This can be compared with the image contrast degradation reported for sub-40 nm pitches later in 2015.^[64]

The process of electron penetration through a resist is essentially a stochastic process; there is a finite probability that resist exposure by released electrons can occur quite far from the point of photon absorption.^[198][199] Increasing the dose increases the number of far-reaching electrons, resulting in more extended resist loss. A leading EUV chemically amplified resist exposed to 80 eV electrons at a dose up to 80 uc/cm² showed up to 7.5 nm resist thickness loss.^[200] For an open-source resist exposed near 200 uC/cm² by 80 eV electrons, the resist thickness lost after post-exposure bake and development was around 13 nm, while doubling the dose resulted in increasing the loss to 15 nm.^[61] On the other hand, for doses >500 uC/cm², the resist begins to thicken due to crosslinking.^[200]

The degree of photoelectron emission from the layer underlying the EUV photoresist has been shown to affect the depth of focus.^[201] Unfortunately, hardmask layers tend to increase photoelectron emission, degrading the depth of focus.

Secondary electron blur vs. dose

Secondary electron blur vs. dose. The secondary electron blur can increase significantly with increasing dose.

Secondary electron spread vs. dose. The secondary electron radial spread from a point source increases as a function of dose.

Direct photocurrent measurements have been used to obtain secondary electron yields in response to EUV radiation. Simulations roughly calibrated to this yield show that the secondary electron blur increases with dose.^[202] This is associated with fewer trapping sites as dose is increased and the reactions depleting the trapping sites proceed.

Low-energy electron-induced events also increase in number at a given distance from the photon absorption site, as dose is increased. This has been confirmed by resist thickness loss measurements as a function of low-energy electron dose.^[203] The dose-dependent spread of secondary electrons was also known before from electron beam lithography.^[204]

The increased secondary electron blur with increased dose makes control of stochastic defects more difficult.^[205]

Charging and electron trapping

Due to the production of secondary electrons of various energies, the charge of the resist may locally fluctuate.^[206] An EUV exposure with less blur leads to more pronounced charge differences at the feature edge,^[207] which can lead to larger electric fields.^[208] Such large electric fields have been observed to lead to dielectric breakdown.^[206] The trapping of secondary electrons leads to a reduction of secondary electrons emitted from the film;^[206] however, the trap sites may themselves be depleted, resulting in effectively extended secondary electron blur for larger doses.^[202] Electron trapping is predicted to occur as part of polaronic behavior,^[209][210] which confines the electron's final energy deposition to trap site locations. The polaron size can be quite large in resists, e.g., 46 nm in PMMA.^[210]

DUV sensitivity

EUV resists are also exposable by wavelengths longer than EUV, particular VUV and DUV wavelengths in the 150–250 nm range.^[211]

Resist outgassing

Outgassing contamination vs. EUV dose: The increase of dose to size (E_velikost) to reduce shot noise and roughness comes at price of increased contamination from outgassing. The contamination thickness shown here is relative to a reference resist.

Due to the high efficiency of absorption of EUV by photoresists, heating and outgassing become primary concerns. Organic photoresists outgas hydrocarbons^[212] while metal oxide photoresists outgas water and oxygen^[213] and metal (in a hydrogen ambient); the last is uncleanable.^[45] The carbon contamination is known to affect multilayer reflectivity^[214] while the oxygen is particularly harmful for the ruthenium capping layers on the EUV multilayer optics.^[215]

Contamination effects

One well-known issue is contamination deposition on the resist from ambient or outgassed hydrocarbons, which results from EUV- or electron-driven reactions.^[216]

Side effects of hydrogen for contamination removal: tin redeposition, blistering, resist erosion

Atomový vodík in the tool chambers is used to clean cín a uhlík which deposit on the EUV optical surfaces.^[217] Reakce s cín in the light source or resist or on an optical surface to form volatile SnH4 proceeds via the reaction:

Sn (s) + 4H (g) → SnH4 (G).[217]

The SnH₄ can reach the coatings of other EUV optical surfaces, where it redeposits Sn via the reaction:

SnH4 → Sn (s) + 2H2 (G).[217]

Redeposition may also occur by other intermediate reactions.^[218]

The redeposited Sn^[44][45] might be subsequently removed by atomic hydrogen exposure. However, overall, the tin cleaning efficiency is less than 0.01%, due to both redeposition and hydrogen desorption, leading to formation of hydrogen molecules at the expense of atomic hydrogen.^[217]

The removal of carbon proceeds by methane formation at lower temperatures or acetylene formation at higher temperatures:^[217]

H (ads) + C → CH (ads)Methane formation:CH (ads) + H (ads) → CH2 (ads)CH2 (ads) + H (ads) => CH3 (ads)CH3 (ads) + H (ads) => CH4 (G)Acetylene formation:CH (ads) + CH (ads) → C2H2 (G)

Atomic hydrogen is produced by EUV light directly photoionizing H₂:

hν + H2 → H+ + H + e−[219]

Electrons generated in the above reaction may also dissociate H₂ to form atomic hydrogen:

E− + H2 → H+ + H + 2e−[219]

Hydrogen-induced blistering defects. Atomic hydrogen (red dots) used for cleaning surfaces can penetrate underneath the surface. In the Mo/Si multilayers, H₂ (paired red dots) is formed and trapped, resulting in blister (white region) formation.

Hydrogen also reacts with metal-containing compounds to reduce them to metal,^[220] and diffuses through the silicon^[221] and molybdenum^[222] in the multilayer, eventually causing blistering.^[223][224] Capping layers that mitigate hydrogen-related damage often reduce reflectivity to well below 70%.^[223] Capping layers are known to be permeable to ambient gases including oxygen^[225] and hydrogen,^{[226][227][228][229]} as well as susceptible to the hydrogen-induced blistering defects.^[230] Hydrogen may also react with the capping layer, resulting in its removal.^[231]Hydrogen also reacts with resists to etch^[232][233] or decompose^[234] jim. Besides photoresist, hydrogen plasmas can also etch silicon, albeit very slowly.^[235]

Membrána

To help mitigate the above effects, the latest EUV tool introduced in 2017, the NXE:3400B, features a membrane that separates the wafer from the projection optics of the tool, protecting the latter from outgassing from the resist on the wafer.^[47] The membrane contains layers which absorb DUV and IR radiation, and transmits 85-90% of the incident EUV radiation. There is of course, accumulated contamination from wafer outgassing as well as particles in general (although the latter are out of focus, they may still obstruct light).

Mask defects

EUV mask defect printability. Defects with atomic-scale heights can affect dimensions printed by EUV even though buried by many layers. Source: Lawrence Berkeley National Laboratory and Intel.

EUV defect printability vs. pitch. The printability (here 10% CD) of a defect of a given height and width varies with pitch. Note that even the surface roughness on the multilayer here can have noticeable impact.

Reducing defects on extreme ultraviolet (EUV) masks is currently one of the most critical issues to be addressed for commercialization of EUV lithography.^[236] Defects can be buried underneath or within the multilayer stack^[237] or be on top of the multilayer stack. Mesas or protrusions form on the sputtering targets used for multilayer deposition, which may fall off as particles during the multilayer deposition.^[238] In fact, defects of atomic scale height (0.3–0.5 nm) with 100 nm FWHM can still be printable by exhibiting 10% CD impact.^[239] IBM and Toppan reported at Photomask Japan 2015 that smaller defects, e.g., 50 nm size, can have 10% CD impact even with 0.6 nm height, yet remain undetectable.^[240]

Furthermore, the edge of a phase defect will further reduce odrazivost by more than 10% if its deviation from flatness exceeds 3 degrees, due to the deviation from the target angle of incidence of 84 degrees with respect to the surface. Even if the defect height is shallow, the edge still deforms the overlying multilayer, producing an extended region where the multilayer is sloped. The more abrupt the deformation, the narrower the defect edge extension, the greater the loss in reflectivity.

EUV mask defect repair is also more complicated due to the across-slit illumination variation mentioned above. Due to the varying shadowing sensitivity across the slit, the repair deposition height must be controlled very carefully, being different at different positions across the EUV mask illumination slit.^[241]

Multilayer damage

Multiple EUV pulses at less than 10 mJ/cm² could accumulate damage to a Ru-capped Mo/Si multilayer mirror optic element.^[242] The angle of incidence was 16° or 0.28 rads, which is within the range of angles for a 0.33 NA optical system.

Pellicles

Production EUV tools need a pellicle to protect the mask from contamination. Currently, the pellicle is not yet guaranteed to withstand 250 W power necessary for high volume manufacturing; the specification is 40 W.^[243]

Pellicles are normally expected to protect the mask from particles during transport, entry into or exit from the exposure chamber, as well as the exposure itself. Without pellicles, particle adders would reduce yield, which has not been an issue for conventional optical lithography with 193 nm light and pellicles. However, for EUV, the feasibility of pellicle use is severely challenged, due to the required thinness of the shielding films to prevent excessive EUV absorption. Particle contamination would be prohibitive if pellicles were not stable above 200 W, i.e., the targeted power for manufacturing.^[244]

Heating of the EUV mask pelikula (film temperature up to 750 K for 80 W incident power) is a significant concern, due to the resulting deformation and transmission decrease.^[245] ASML developed a 70 nm thick polysilicon pellicle membrane, which allows EUV transmission of 82%; however, less than half of the membranes survived expected EUV power levels.^[246] SiNx pellicle membranes also failed at 82 W equivalent EUV source power levels.^[247] At target 250 W levels, the pellicle is expected to reach 686 degrees Celsius,^[248] well over the melting point of aluminum. Alternative materials need to allow sufficient transmission as well as maintain mechanical and thermal stability. However, graphite, graphene or other carbon nanomaterials (nanosheets, nanotubes) are damaged by EUV due to the release of electrons^[249] and also too easily etched in the hydrogen cleaning plasma expected to be deployed in EUV scanners.^[250] Hydrogen plasmas can also etch silicon as well.^[251][252] A coating helps improve hydrogen resistance, but this reduces transmission and/or emissivity, and may also affect mechanical stability (e.g., bulging).^[253] The current lack of any suitable pellicle material, aggravated by the use of hydrogen plasma cleaning in the EUV scanner,^[254][255] presents an obstacle to volume production.^[256]

Wrinkles on pellicles can cause CD nonuniformity due to uneven absorption; this is worse for smaller wrinkles and more coherent illumination, i.e., lower pupil fill.^[257]

ASML, the sole EUV tool supplier, reported in June 2019 that pelety required for critical layers still required improvements.^[258]

In the absence of pellicles, EUV mask cleanliness would have to be checked before actual product wafers are exposed, using wafers specially prepared for defect inspection.^[259] These wafers are inspected after printing for repeating defects indicating a dirty mask; if any are found, the mask must be cleaned and another set of inspection wafers are exposed, repeating the flow until the mask is clean. Any affected product wafers must be reworked.

Hydrogen bulging defects

As discussed above, with regard to contamination removal, hydrogen used in recent EUV systems can penetrate into the EUV mask layers. Once trapped, bulge defects were produced.^[230] These are essentially the blister defects which arise after a sufficient number of EUV mask exposures in the hydrogen environment.

Throughput-scaling limits

The resolution of EUV lithography for the future faces challenges in maintaining throughput, i.e., how many wafers are processed by an EUV tool per day. These challenges arise from smaller fields, additional mirrors, and shot noise. In order to maintain throughput, the power at intermediate focus (IF) must be continually increased.

Reduced fields

Reduction of field size by demagnification. Increasing the demagnification from 4X to 8X in one dimension would split the original full imaging field into two parts to preserve the same die area (26 mm × 33 mm).

Polní šití. Stitching together exposure fields is a concern where critical features cross a field boundary (red dotted line).

Preparation of an anamorphic lens with an NA between 0.5 and 0.6 is underway as of 2016. The demagnification will be 8X in one dimension and 4X in the other, and the angle of reflection will increase.^[260]

Higher demagnification will increase the mask size or reduce the size of the printed field. Reduced field size would divide full-size chip patterns (normally taking up 26 mm × 33 mm) among two or more conventional 6-inch EUV masks. Large (approaching or exceeding 500 mm²) chips, typically used for GPUs^[261] or servers,^[262] would have to be stitched together from two or more sub-patterns from different masks.^[263] Without field stitching, die size would be limited. With field stitching, features that cross field boundaries would have alignment errors, and the extra time required to change masks would reduce the throughput of the EUV system.^[264]

Shot noise: the statistical resolution limit

Shot noise causing significant CD variations. A set of holes patterned at 64 nm pitch shows significant effects of shot noise with an EUV dose of just over 10 mJ/cm². A larger dose would result in the same range of variation over a larger sample size.

With the natural Poissonovo rozdělení due to the random arrival and absorption times of the photons,^[265][266] there is an expected natural dose (photon number) variation of at least several percent 3 sigma, making the exposure process susceptible to stochastic variations. The dose variation leads to a variation of the feature edge position, effectively becoming a blur component. Unlike the hard resolution limit imposed by diffraction, shot noise imposes a softer limit, with the main guideline being the ITRS line width roughness (LWR) spec of 8% (3s) of linewidth.^[267] Increasing the dose will reduce the shot noise,^[268] but this also requires higher source power.

A 10 nm wide, 10 nm long assist feature region, at a target non-printing dose of 15 mJ/cm², with 10% absorption, is defined by just over 100 photons, which leads to a 6s noise of 59%, corresponding to a stochastic dose range of 6 to 24 mJ/cm², which could affect the printability.

A 2017 study by Intel showed that for semi-isolated vias (whose Airy disk can be approximated by a Gaussian), the sensitivity of CD to dose was particularly strong,^[269] strong enough that a reduction of dose could nonlinearly lead to failure to print the via.

Via printing failure from noise-induced dose reduction. Shot noise-induced dose reduction could in extreme cases lead to via printing failure (CD->0).

Minimum dose to restrain shot noise for process variation tolerance areas:

+ A process variation tolerance area is the largest region over which process variation is allowed.

The two issues of shot noise and EUV-released electrons point out two constraining factors: 1) keeping dose high enough to reduce shot noise to tolerable levels, but also 2) avoiding too high a dose due to the increased contribution of EUV-released photoelectrons and secondary electrons to the resist exposure process, increasing the edge blur and thereby limiting the resolution. Aside from the resolution impact, higher dose also increases outgassing^[270] and limits throughput, and crosslinking^[271] occurs at very high dose levels. For chemically amplified resists, higher dose exposure also increases line edge roughness due to acid generator decomposition.^[272]

As mentioned earlier, a more absorbing resist actually leads to less vertical dose uniformity. This also means shot noise is worse toward the bottom of a highly absorbing EUV resist layer.

Line end position affected by shot noise. The natural variation of EUV photon number can cause the position of the line end to shift.

Even with higher absorption, EUV has a larger shot noise concern than the ArF (193 nm) wavelength, mainly because it is applied to smaller dimensions and current dose targets are lower due to currently available source power levels.

As can be seen above, at the target incident dose levels, significantly fewer EUV photons are absorbed in EUV resists compared to ArF photons in ArF resists. Despite greater transparency of the resist, the incident photon flux is about 14 times larger (193/13.5) for the same energy dose per unit area. The resist thickness is limited by transparency as well as resist collapse^[277] and resist strip^[278] úvahy.

Uptime and productivity

In 2016 throughput at customer site was 1,200 wafers per day with 80% availability,^[279] while conventional tools produced 5,000 wafers per day with 95% availability.^[280] As of 2017, the cost of a 7 nm process with 3 metal layers patterned by single EUV exposure is still 20% higher than the current 10 nm non-EUV multipatterned process.^[281] Hence, multiple patterning with immersion lithography has been deployed for volume manufacturing, while deployment of EUV is expected in 2018–2020.

Historie nasazení

The deployment of EUVL for volume manufacturing has been delayed for a decade,^[282][283] though the forecasts for deployment had timelines of 2–5 years. Deployment was targeted in 2007 (5 years after the forecast was made in 2002),^[282] in 2009 (5 years after the forecast), in 2012–2013 (3–4 years), in 2013–2015 (2–4 years),^[284][285] in 2016–2017 (2–3 years),^[286] and in 2018–2020 (2–4 years after the forecasts).^[287][288] However, deployment could be delayed further.^[289]

Shipments of the NXE:3350 system began at the end of 2015, with claimed throughput of 1,250 wafers/day or 65 wafers per hour (WPH) assuming 80% uptime.^[290][291] By comparison, the 300-unit installed base of NXT 193-nm immersion systems had 96% availability and 275 WPH in 2015.^[292][293]

Twenty EUV units were shipped in 2010–2016, short of the number that would be required for volume manufacturing. Ve srovnání, ASML shipped over 60 NXT 193-nm immersion systems in 2016, and forecasts that 48 EUV units will be shipped in 2019.^[298][299] Six NXE:3100 units were shipped in 2010–2011.^[300][301] Eight NXE:3300B units were shipped in 2013Q3–2015Q1,^[293] fewer than the forecast 11 units.^[302] Two NXE:3350B units were shipped in late 2015,^[292] compared to a forecast six units.^[293] Four units were shipped in 2016, compared to a forecast six or seven units from the start of the year.^[303]

As of 2016, 12 units were forecast to ship in 2017,^[303] and 24 units in 2018.^[298] However, the shipment forecast for 2017 was halved at the beginning of the year to six or seven units.^[304] The NXE:3350B is planned to be discontinued by 2017, to be replaced by the NXE:3400B. At the time of shipping of the first NXE:3400B,^[305] eight NXE:3300B and six NXE:3350B systems were up and working in the field.^[306]

A total of ten NXE3400B systems were shipped in 2017.^[307] In Q1 2018, three EUV systems were shipped.^[308] In Q2 2018, 4 more were shipped.^[309]

EUV tool sales recognized (ASML quarterly reports)

Note: revenue on four EUV tools not recognized as of Q2 2020.^[313]

Forty-five (45) NXE:3400B systems in total will be shipped by end of 2019.^[1] By comparison, 27 immersion tools were shipped to Samsung in 2010 alone.^[314] As of 2011, over 80 immersion tools were being used worldwide for 32-45 nm lithography.^[315] As of Q1 2018, 201 additional immersion tools were delivered.^[2] Intel had around 200 SVG Micrascan DUV tools to support 200mm manufacturing.^[316] Thus, EUV volume is negligible compared to DUV use at mature nodes.

ASML expects to ship about 35 EUV systems in 2020 and between 45 and 50 EUV systems in 2021.^[311]

Ongoing issues for improvement

The NXE:3400C was announced to be introduced in 2019, including features that focused on improving uptime significantly, such as a modular design for faster changing, continuous tin supply, and better collector degradation control.^[317] However, aberration improvements have yet to be implemented, as aberrations have to be measured directly in-situ first.^[318]

ASML plans to introduce an improved EUV system late 2021.^[319] It will be called NXE:3600^[320] and based on previous roadmaps it should improve throughput to over 185 wafers per hour and have an overlay of 1.1 nm.

Use with multiple patterning

EUV layout splitting due to different illuminations. This layout consists of vertical and horizontal lines requiring two different illuminations optimized for each. Consequently, it would need to be split, even for EUV lithography. Furthermore, the spaces between line tips (circled) are optimized differently, so that additional cut exposures are preferred.

EUV is anticipated to use double patterning at around 34 nm pitch with 0.33 NA.^[321][322] This resolution is equivalent to '1Y' for DRAM.^[323][324] In 2020, ASML reported that 5nm M0 layer (30 nm minimum pitch) required double patterning.^[325]In H2 2018, TSMC confirmed that its 5 nm EUV scheme still used multi-patterning,^[326] also indicating that mask count did not decrease from its 7 nm node, which used extensive DUV multi-patterning, to its 5 nm node, which used extensive EUV.^[327] EDA vendors also indicated the continued use of multi-patterning flows.^[328][329] While Samsung introduced its own 7 nm process with EUV single patterning,^[330] it encountered severe photon shot noise causing excessive line roughness, which required higher dose, resulting in lower throughput.^[265] TSMC's 5 nm node uses even tighter design rules.^[331] Samsung indicated smaller dimensions would have more severe shot noise.^[265]

In Intel's complementary lithography scheme at 20 nm half-pitch, EUV would be used only in a second line-cutting exposure after a first 193 nm line-printing exposure.^[332]

Multiple exposures would also be expected where two or more patterns in the same layer, e.g., different pitches or widths, must use different optimized source pupil shapes.^{[333][334][335][336]} For example, when considering a staggered bar array of 64 nm vertical pitch, changing the horizontal pitch from 64 nm to 90 nm changes the optimized illumination significantly.^[48] Source-mask optimization that is based on line-space gratings and tip-to-tip gratings only does not entail improvements for all parts of a logic pattern, e.g., a dense trench with a gap on one side.^[337][338]

For the 24-36 nm metal pitch, it was found that using EUV as a (second) cutting exposure had a significantly wider process window than as a complete single exposure for the metal layer.^[339][337]

Multiple exposures of the same mask are also expected for defect management without pellicles, limiting productivity similarly to multiple patterning.^[259]

Single patterning extension: anamorphic high-NA

A return to extended generations of single exposure patterning would be possible with higher numerical aperture (NA) tools. An NA of 0.45 could require retuning of a few percent.^[340] Increasing demagnification could avoid this retuning, but the reduced field size severely affects large patterns (one die per 26 mm × 33 mm field) such as the many-core multi-billion transistor 14 nm Xeon chips.^[341] by requiring field stitching.

V roce 2015 ASML disclosed details of its anamorphic next-generation EUV scanner, with an NA of 0.55. The demagnification is increased from 4x to 8x only in one direction (in the plane of incidence).^[342] However, the 0.55 NA has a much smaller depth of focus than immersion lithography.^[343] Also, an anamorphic 0.52 NA tool has been found to exhibit too much CD and placement variability for 5 nm node single exposure and multi-patterning cutting.^[344]

Hloubka zaostření^[345] being reduced by increasing NA is also a concern,^[346] especially in comparison with multi-patterning exposures using 193 nm immersion lithography:

The first high-NA tools are expected by 2020 at earliest.^[347]

Beyond EUV wavelength

A much shorter wavelength (~6.7 nm) would be beyond EUV, and is often referred to as BEUV (beyond extreme ultraviolet).^[348] A shorter wavelength would have worse shot noise effects without ensuring sufficient dose.^[349]

Reference

Další čtení

• Banqiu Wu a Ajay Kumar (květen 2009). Extrémní ultrafialová litografie. McGraw-Hill Professional, Inc. ISBN  978-0-07-154918-9.
• Banqiu Wu a Ajay Kumar (2009). „Extrémní ultrafialová litografie: na cestě k další generaci integrovaných obvodů“. Zaměření na optiku a fotoniku. 7 (4).

Související odkazy

• EUV představuje ekonomické výzvy
• Průmysl přemýšlí o vlnové délce 6,7 nm EUV