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2019年08月22日 | 深度解析—IMEC對(duì)EUV工藝未來(lái)的思考

發(fā)布者：閃耀的星空 來(lái)源: 半導(dǎo)體百科 關(guān)鍵字：EUV  IMEC 手機(jī)看文章 掃描二維碼
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2019年，EUV光刻（EUVL）將達(dá)到一個(gè)重要的里程碑。經(jīng)過(guò)多年的等待，先進(jìn)光刻技術(shù)終于進(jìn)入大批量生產(chǎn)。EUVL將率先用于7nm節(jié)點(diǎn)（IMEC N8或代工廠N7）邏輯后段（BEOL）的最關(guān)鍵金屬層和通孔。與此同時(shí)，研究中心正在探索未來(lái)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的選擇，這些節(jié)點(diǎn)將逐步納入更多的EUVL印刷結(jié)構(gòu)。在本文的第一部分，imec的干法蝕刻研發(fā)工程師Stefan Decoster比較了在N3及更先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，不同的多重圖形化方案的優(yōu)缺點(diǎn)。


與過(guò)去相比，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)將EUVL作為存儲(chǔ)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的圖形化工藝的一個(gè)選項(xiàng)，例如DRAM的柱體結(jié)構(gòu)及STT-MRAM的MTJ。在本文的第二部分，IMEC的研發(fā)工程師Murat Pak提出了幾種STT-MRAM關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的圖形化方案。

在后段引入EUV多重顯影


今年，一些主要的代工廠將首次在其大批量生產(chǎn)線中使用EUVL來(lái)處理邏輯7nm（N7）芯片。它們將EUVL引入BEOL的最關(guān)鍵金屬層（local M0至M3），以及互連這些金屬層的過(guò)孔中。在這些層中，線和溝槽具有36-40nm量級(jí)的節(jié)距。溝槽與溝槽的隔斷相互垂直，以便在連續(xù)溝槽中產(chǎn)生隔斷。下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)N5會(huì)運(yùn)用到28到32nm之間的金屬節(jié)距。

“2017年，我們已經(jīng)證明這些32nm節(jié)距線可以在一次曝光中直接用EUVL進(jìn)行圖形化，”Stefan Decoster補(bǔ)充道?！盎蛘?，可以使用混合選項(xiàng)，其中基于193i的SAQP與EUV block相結(jié)合。”


圖示采用193nm浸入式SAQP圖形化的32nm節(jié)距M2層，以及直接由EUV圖形化制作的隔斷（block）。

從EUV單次顯影到EUVL多重顯影


同時(shí)，很明顯，EUVL單次曝光已經(jīng)達(dá)到了32納米到30納米節(jié)距的極限。StefanDecoster：“超過(guò)30nm節(jié)距，使用當(dāng)前的EUVL技術(shù)（即0.33數(shù)值孔徑（NA））需要采用多重圖形化技術(shù)，進(jìn)一步縮小尺寸。這些技術(shù)通常涉及將芯片圖案分成兩個(gè)或更多個(gè)更簡(jiǎn)單的掩模，并且可以以不同的風(fēng)格存在。EUV多重顯影將比原先想象的更早推出， 主要是由于存在隨機(jī)失效?！斑@些失效在極小的特征尺寸下開(kāi)始變得更加明顯，并且限制了EUV單次曝光的實(shí)際分辨率。

IMEC N5技術(shù)節(jié)點(diǎn)的多重顯影方案

在實(shí)踐中，這意味著IMEC N5（或代工廠N3）技術(shù)節(jié)點(diǎn)具有21nm的金屬節(jié)距，這需要EUVLmulti-patterning，例如SADP或LELE，當(dāng)然，IMEC還提供了另外兩種方案，即193iSAQP，193i SAOP，仍然可以實(shí)現(xiàn)這些尺寸的線和溝槽。在成本，光刻質(zhì)量和工藝流程的復(fù)雜性方面，這些技術(shù)中的每一種都具有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

“然而，EUVL single patterning 并不止步于此，”Stefan Decoster澄清道。“我們預(yù)計(jì)更松弛的金屬層（例如M4至M7層）和關(guān)鍵過(guò)孔仍然可以利用EUVL單次曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，IMEC和ASML正在開(kāi)發(fā)下一代high-NAEUVL系統(tǒng)（NA =0.55），以進(jìn)一步提高單次曝光的分辨率?！?/section>

IMEC N5以下：16 nm節(jié)距的圖形化方案


IMEC的研究人員探索了四種不同的圖形化方案，用于制作20nm節(jié)距以下的圖形：基于193i的SAOP方案，基于EUV的SADP方案，基于EUV的SAQP方案和EUV SALELE方案。Stefan Decoster：“這四種方案都可以制作16nm節(jié)距的線。然而，它們?cè)诹鞒虖?fù)雜性，成本，可擴(kuò)展性和設(shè)計(jì)自由度方面存在差異，這些都是行業(yè)的重要考慮因素。我們還發(fā)現(xiàn)，線邊緣粗糙度（LER）仍然是主要關(guān)注點(diǎn)?！?/section>

193nm 浸沒(méi)式光刻仍然可以完成這項(xiàng)工作

在這些激進(jìn)的節(jié)距下，193nm浸沒(méi)式光刻只能與SAOP結(jié)合使用 ，從128nm節(jié)距開(kāi)始經(jīng)歷三次圖形倍增最終達(dá)到16nm節(jié)距。Stefan Decoster指出，193i SAOP的優(yōu)點(diǎn)是線條邊緣粗糙度（LER）小，但一個(gè)固有的缺點(diǎn)是極其漫長(zhǎng)而復(fù)雜的工藝流程，這給過(guò)程控制和成本帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

使用EUVL multi-patterning可以使flow變短

“出于這個(gè)原因，我們還探索了'較短的'基于EUVL的圖形化方案，即EUV的SADP”，StefanDecoster補(bǔ)充道，“為了實(shí)現(xiàn)這種圖形化方法，EUV光刻的起始節(jié)距必須為32nm。雖然目前的EUVL技術(shù)仍然能夠制作32nm節(jié)距線，但是所得到的線寬不能小于16nm。因此，我們不得不應(yīng)用額外的trim技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)在32nm節(jié)距下8nm的線寬（mandrel）。采用SADP技術(shù)，這種間距可以成功地降低到16nm?！?6 nm節(jié)距的圖形也可以采用更具可擴(kuò)展性的EUVL SAQP方法，從更寬松的64nm節(jié)距開(kāi)始。然而，對(duì)于這些基于EUV的多重圖形化方法，線邊緣粗糙度(LER)仍然是一個(gè)重要問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種LER可以進(jìn)一步降低，例如通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)?a href="http://m.womende.cn/zhuanti/KqP808" style="color:#4595e6;" target="_blank">光刻膠材料和改善光刻膠平滑性。



三種圖形化flow可實(shí)現(xiàn)16nm節(jié)距圖形（自上而下的SEM圖）:(頂部）基于EUV的SADP，（中）基于EUV的SAQP和（底部）193iSAOP。所有三個(gè)選項(xiàng)的LER均在8nm line和space的情況下測(cè)得。


eSALELE：一種全新的工藝整合方案

前面三種多圖案化方法都有一個(gè)共同點(diǎn)：首先，制作線和溝槽，然后添加隔斷（block，例如使用自對(duì)準(zhǔn)隔斷方法）。IMEC團(tuán)隊(duì)還研究了一種使用EUVL的不同方法 ，稱為eSALELE，其中線和隔斷在整個(gè)相同的流程中定義。除了相對(duì)較高的LER之外，這種方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是使用四個(gè)EUV掩模（兩個(gè)用于線，兩個(gè)用于隔斷），這使得這個(gè)方案非常昂貴。Stefan Decoster說(shuō)：“但eSALELE方法的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，可以避免'虛設(shè)'（dummy）金屬線（版圖中并不真正需要的金屬線）。避免這些線的出現(xiàn)有利于RC延遲和后段功耗的降低。

EUVL單次曝光與存儲(chǔ)器：STT-MRAM的情況


由于其高寫(xiě)入和讀取速度，STT-MRAM最近成為取代基于SRAM的最后一級(jí)高速緩存存儲(chǔ)器的可能選項(xiàng)。STT-MRAM器件的核心結(jié)構(gòu)是柱狀MTJ，其中絕緣層夾在兩個(gè)薄的鐵磁層之間，所述鐵磁層分別是釘扎層和自由層。MTJ可以以兩種不同的電阻狀態(tài)存在：低阻態(tài)（LRS，兩個(gè)磁層的磁化平行）和高阻態(tài)（HRS，磁化處于反平行狀態(tài)）。通過(guò)利用注入磁隧道結(jié)的電流切換自由磁層的磁化來(lái)執(zhí)行存儲(chǔ)單元的寫(xiě)入。讀取操作依賴于隧道磁阻（TMR），其是兩個(gè)阻值狀態(tài)之間的電阻差的函數(shù)。

從193i到EUVL單次曝光

到目前為止，MTJ已經(jīng)用193i圖形化實(shí)現(xiàn)了200nm節(jié)距，當(dāng)然之后的100nm節(jié)距也是。IMEC的研發(fā)工程師Murat Pak說(shuō)：“但是為了滿足未來(lái)存儲(chǔ)器的高密度要求，我們需要更緊密的節(jié)距，例如50nm或更小，MTJ直徑約為20nm。193i無(wú)法實(shí)現(xiàn)這么激進(jìn)的節(jié)距，這凸顯了引入EUVL單次曝光的必要性?！?/section>

LCDU會(huì)是最關(guān)鍵的指標(biāo)

然而，在這么小的尺寸下，粗糙度和隨機(jī)失效的影響不可以被忽略，因此需要改進(jìn)的圖形化方案?！皩?duì)于這種存儲(chǔ)器而言，最關(guān)鍵的參數(shù)結(jié)果是局部CD均勻性（LCDU），這是柱粗糙度的一種度量，”Murat Pak解釋說(shuō)?！斑@種LCDU顯然會(huì)影響電阻值，從而影響STT-MRAM單元的讀取性能。因此，確保良好的LCDU對(duì)于STT-MRAM制造至關(guān)重要?！?/section>


（左）展示阻值狀態(tài)和允許的變化范圍;（右）MTJ的X-SEM截面圖。


為了優(yōu)化MTJ的LCDU，已經(jīng)提出并比較了不同的EUV光刻方案。MuratPak：“首先，我們考慮了不同的光刻膠，包括眾所周知的化學(xué)放大膠（CAR），以及兩種不同的MCR（含金屬）光刻膠。其次，我們的團(tuán)隊(duì)篩選了不同的底層包括旋涂碳（SOC）和旋涂玻璃（SOG）,并研究了它們對(duì)光刻膠性能的影響。最后，我們研究了不同的tonalites（相當(dāng)于正膠和負(fù)膠的區(qū)別，編者注），特別是CAR光刻膠（做柱）和positive tone光刻膠加上tone反轉(zhuǎn)工藝（將孔變成柱）?！霸搱F(tuán)隊(duì)還研究了光刻膠上的LCDU的改進(jìn)是否會(huì)轉(zhuǎn)移到了蝕刻之后。以上所有實(shí)驗(yàn)中的EUV都使用ASMLTWINSCAN NXE：3300B進(jìn)行曝光。

tone反轉(zhuǎn)過(guò)程的圖示：（左）用正toneCAR光刻膠獲得的孔和（右）在tone反轉(zhuǎn)后獲得的柱。

三種有可能的方案（如下圖，由編者添加）


其中一支MCR光刻膠搭配SOC和SOG均獲得了相對(duì)較好的LCDU結(jié)果。第三種方案是tone反轉(zhuǎn)工藝 ，最終也表現(xiàn)良好?！皩?duì)于所有這三種方法，我們獲得了超過(guò)20％的LCDU的改進(jìn)，”Murat Pak補(bǔ)充道。“這是整個(gè)工藝流程朝向1.55nm LCDU目標(biāo)的重要一步?！睂?duì)于這些有前景的光刻工藝方案，其他性能指標(biāo)，如工藝窗口分析，柱圓度和尺寸均勻性均已通過(guò)驗(yàn)證。

總結(jié)


在本文中，已經(jīng)針對(duì)未來(lái)的邏輯和存儲(chǔ)器件（即，SST-MRAM）應(yīng)用提出了各種EUVL圖形化方法。對(duì)于邏輯，基于EUV的SADP，基于EUV的SAQP和基于EUV的SALELE與基于193i的SAOP的性能進(jìn)行了比較。所有選項(xiàng)都有可能用于制作如16nm節(jié)距這樣具有挑戰(zhàn)性的金屬線。但是，必須在工藝復(fù)雜性，成本，設(shè)計(jì)自由度和線邊粗糙度方面進(jìn)行權(quán)衡。


對(duì)于SST-MRAM，已經(jīng)確定了三種不同的基于EUV的制作50nm節(jié)距的MTJ柱的方法，并且具有足夠好的LCDU。


關(guān)鍵字：EUV  IMEC 引用地址：深度解析—IMEC對(duì)EUV工藝未來(lái)的思考

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