imec最新High-NA EUV技术进展 加速微影生态系统开发

比利时微电子研究中心（imec）于本周国际光学工程学会（SPIE）举行的先进微影成形技术会议（2022 SPIE Advanced Lithography and Patterning Conference）上展示其High-NA微影技术的重大进展，包含显影与蚀刻制程开发、新兴光阻剂与涂底材料测试，以及量测与光罩技术优化。

在标准的最佳方法设置下取得不同光阻薄膜厚度（film thickness；FT）的CD-SEM影像，可见光阻层越薄，影像对比度与品质皆明显下降。

高数值孔径（high numerical aperture；high-NA）微影技术将是延续摩尔定律的关键，推动2奈米以下的电晶体微缩。imec致力于打造High-NA微影生态系统，持续筹备与EUV微影设备制造商ASML共同成立High-NA实验室（the imec-ASML Joint High-NA Lab）。该实验室将会聚焦全球首台0.55NA极紫外光（EUV）微影设备的原型机开发。

Imec执行长Luc Van den hove表示：「imec目前与ASML合作开发High-NA技术，ASML现在正在发展首台0.55NA EUV微影扫描设备EXE:5000系统的原型机。与现有的0.33NA EUV系统相比，High-NA EUV微影设备预计将能在减少曝光显影次数的情况下，实现2nm以下逻辑晶片的关键特征图案化。」

他指出：「imec与全球微影生态系建立紧密的合作关系，以确保先进的光阻剂材料、光罩、量测技术、（变形镜片）光学设计与显影技术都能即时满足市场需求，进而发挥High-NA EUV微影设备具备更高解析度的最大优势。在今年SPIE先进微影技术会议上，我们发表了12篇有关High-NA EUV微影技术的论文，显见为了建立生态系而做足了准备。」

制程与材料优化并进 减少图案边缘粗糙度与缺陷

为了建立首台High-NA EUV原型系统，imec持续提升当前0.33NA EUV微影技术的投影解析度，借此预测光阻层涂布薄化后的成像表现，以实现微缩化线宽、导线间距与接点的精密图案转移。

除了图案变形的问题，imec指出，线边缘粗糙度（line-edge roughness）是采用光阻薄膜设计时，用来定义导线与间距图案的关键参数。同时，imec也提出减少微影图案边缘粗糙度的解决方案，例如调整曝光光源与光罩的制程条件。

此外，imec携手材料供应商一同展示新兴光阻剂（例如金属氧化物）与涂底材料的测试结果，在High-NA制程中成功达到优异的成像品质。同时也提出新制程专用的显影与蚀刻解决方案，以减少微影图案的缺陷与随机损坏。

满足未来量产需求的量测解决方案：光阻薄膜设计与特征尺寸微缩化

新一代的微影制程锁定特征尺寸的微缩化，例如把线宽缩短至10nm，以及光阻层的薄膜设计，将厚度降至20nm以下，这些发展趋势带给量测技术两大挑战。首先，量测人员必须面对临界尺寸测量用的扫描式电子显微镜（CD-SEM）影像对比度会大幅下降的问题。再者，未来的成像特征会微缩至10nm以下，这就牵涉了微影叠合（overlay）性能、线边缘粗糙度与随机图案损坏的问题，量测工具的解析度因此必须进一步提升。

imec先进微影技术研究计划（Advanced Patterning Program）主持人Kurt Ronse表示：「imec与合作伙伴采取了几种不同策略来解决这些问题。结果显示，针对现有量测工具的操作条件进行些微调整，影像对比度就可以大幅改善，在影像分析与缺陷分类方面，则能透过深度学习架构支援的专用软体来强化性能。最后，imec与量测方案供应商密切合作，锁定微缩化的元件特征，探索具备可靠度的替代性量测方案，例如满足量产应用的扫描探针量测技术，以及利用低加速电压成像并具备校正像差能力的SEM技术。」

解决High-NA EUV光罩的技术痛点

针对22nm导线间距或线宽的微影应用，imec已经模拟了EUV光罩缺陷所带来的影响，具体而言，包含多层光罩结构的侧壁波纹缺陷，以及光吸收层的线边缘粗糙现象。

Kurt Ronse说明：「从这项研究可以发现，光罩缺陷对最终投印在晶圆上的图案成像影响逐渐加剧，也就是说，光罩的设计规则势必要更严谨。这些研究成果也让我们了解high-NA EUV微影制程所需的光罩规格。此外，透过与ASML和材料供应商合作，我们也针对负责定义图案结构的光罩吸收层，开发了新兴的材料与架构。」

针对光吸收层的材料测试，Kurt Ronse表示，imec首度采用低折射率材料（low-n）衰减式相位偏移光罩（attenuated phase shift mask）进行曝光，以评估其对导线、间距与穿孔图形化的影响。结果显示，采用低折射率吸收层材料的光罩，作为目前业界使用的钽基（Ta）空白光罩的替代方案，可以提升图案在晶圆上的3D成像品质，进而增加high-NA系统的聚焦景深（depth of focus）。」