几家供应商正在推出下一代检测系统和软件,以定位极紫外(EUV)光刻机工艺引起的芯片缺陷问题。
每种缺陷检测技术都涉及到各种权衡,但由于 EUV 引起的随机缺陷最终会影响芯片的性能,在晶圆厂里使用一项或多项检测技术是非常必要的。
EUV 光刻用于晶圆厂的芯片生产,它使用一个巨大的扫描仪在高级节点上对芯片的微小特征进行图案化,在操作中,EUV 的扫描仪产生光子,最终与晶圆上的光敏材料光刻胶相互作用,以形成精确的特征化图案。
不过,并不是每次都可以实现精确图案化,在 EUV 中,光子撞击光刻胶发生反应且这一动作重复多次,这些过程充满不可预测性和随机性,可能会产生新的反应,也就是说 EUV 光刻工艺容易出现所谓的随机性,是具有随机变量的事件,这些变化被统称为随机效应。随机效应有时会导致芯片中出现不必要的接触缺陷或有粗糙度的图案,两者都会影响芯片的性能,甚至导致设备出现故障。
▲EUV 光刻机,图片源自 ASML
在过去的几年中,这些问题在传统的光刻技术中基本被忽略了。但对于 EUV 而言,随机效应成为主要问题之一,越高级的节点,随机效应越严重。尽管该行业已经找到了通过改进光刻胶和工艺来缓解问题的方法,但随机效应引发的缺陷依然会突然出现,给代工供应商及客户带来麻烦。
“这意味着随机性作为一个重要问题永远不会消失,”Fractilia 的 CTO Chris Mack 说。“有时在 10 纳米或 7 纳米节点附近,随机效应成为图案变化的主要来源。这主要是因为所有其他变化来源都在变小。随机效应却没有 —— 或者至少它没改进得那么多或那么快。在总变化中,随机效应变化所占比例越来越大。”
因此,了解这些影响势在必行,并且在晶圆厂中定位芯片中随机效应引起的缺陷也同样重要。幸运的是,最近有几家公司开发了各种工具,可以在当今 EUV 工艺中定位甚至预测芯片中的这些缺陷。展望未来,面对 5nm 以及更先进的节点,一些厂商正在推出新方法或改进方法查找或预测这些缺陷,包括:
- 设备供应商正在突破光学检测的极限,以检测随机效应引起的缺陷;
- 一类新的电子束检测工具正在为此应用发展;
- 新的软件工具正在开发中,使用户能够对缺陷进行分类、建模和预测;
- 电气测试也在进行中。
令人困扰的随机效应一颗芯片的诞生需要经过多重工艺步骤,光刻一直是最为复杂的工艺之一。多年来,芯片制造商使用基于 193nm 波长光刻系统在芯片上进行特征图案化,但当工艺节点达到 5nm 时,使用多重图案化变得十分困难。
EUV 简化了传统光刻流程,使芯片制造商能够扫描 7nm 及以下的特征图形。“当您使用 EUV 时,光罩的次数就会减少,这是因为 EUV 将行业带回了单一模式,193nm 的图案浸没需要更多的高级节点掩膜。”D2S 的首席执行官藤村明(Aki Fujimura)说:“有了 EUV,掩膜次数减少了,但每层 EUV 光罩成本更贵。”
▲图一:典型的光刻处理步骤顺序。来源:Fractilia
2018 年,三星和台积电就在 7nm 节点使用了 EUV 光刻,现在这两家公司都在 5nm 处使用 EUV 光刻,其他公司也正在开发用于芯片生产的 EUV 光刻机。
芯片制造商正在使用 ASML 的 EUV 光刻机进行芯片生产,该系统采用 13.5nm 波长 0.33 数值孔径透镜,分辨率为 13nm,每小时可处理 135 至 145 个晶圆,ASML 计划在 2021 年出货 40 套 EUV 系统,并在 2022 年再出货 55 套。
与此同时,在先进节点上,芯片制造商面临一些挑战。先进逻辑工艺在晶圆厂中可能有 600 到 1000 道甚至更多步骤,每一步都可能出现问题,导致芯片出现缺陷,因此,芯片制造商在晶圆厂中需要检测和计量设备,检测系统发现晶圆上的缺陷,计量工具测量结构。
这是一个复杂的过程。例如,原子力显微镜(AFM)是晶圆厂中使用的一种计量工具类型。“使用 AFM,我们可以在整个晶圆的不同芯片和裸片上检测大约 50 微米的区域,关键应用之一是查看顶线粗糙度 —— 能够将这些印制图案中的断线和缺陷与之后的缺陷相关联,”Bruker 高级应用工程师 Sean Hand 说道。
缺陷可能会出现在其他地方,在操作中,EUV 扫描仪应该在芯片中创建各种图案,例如微小的接触孔、线条和通孔,并且具有良好的均匀性。但有时,扫描仪可能无法图案化所需线条,出现换行符,无法打印每一个接触孔,出现缺失接触,其他情况下,该过程还会导致一个或多个孔合并,出现“接吻接触”(kissing contacts)。
换行符、缺失接触和接吻接触都被认为是随机效应引起的缺陷,另一个随机效应是线边缘粗糙度(LER)。LER 被定义为特征边缘与理想形状的偏差,不随特征大小而缩放,因此是有问题的。
TEL 的关键工艺工程师 Charlotte Cutler 在一篇论文中说:“随着 ArFi 和极紫外光刻中线条关键尺寸减小,从这些线条测量的粗糙度的大小可能是图案线宽的很大一部分。”DuPont 和 Fractilia 也为这项工作做出了贡献。
许多人将随机缺陷归咎于光刻胶,但光刻胶并不是唯一的问题,另外,所有随机缺陷都是有问题的。“例如,如果我们不能使我们的特性足够平滑,那么我们的晶体管就会有太多的漏电流,其性能就会很差,”Fractilia 的 Mack 说。
▲图 2:Fractilia: 技术检测芯片中出现的缺陷。来源:Fractilia
相比 193nm 光刻机,EUV 光刻机随机缺陷更严重随机性引起缺陷的根本原因可以追溯到 EUV 过程本身,该过程从晶圆厂下方的激光单元开始。首先,激光脉冲被发射,然后进入晶圆厂 EUV 扫描仪。
与此同时,扫描仪中,一个小装置高速滴落微小的锡滴,激光脉冲中微小的锡滴产生光子,光子在扫描仪内的几个镜子上反射,撞击晶圆上的抗蚀剂,化学放大抗蚀剂(CAR)和金属氧化物抗蚀剂是两种常见的 EUV 抗蚀剂类型。
抗蚀剂有助于在芯片上形成所需的图案,尽管这是一个复杂的过程。“在光刻中,晶圆片上涂有一种称为光刻胶的光敏材料,一些地方暴露光刻胶,一些地方不暴露,光透过掩模板,蚀刻掉暴露的区域,而覆盖的区域仍然受到保护(在正性光刻胶的情况下),最终得到特征图案,其尺寸和密度由原始光刻胶图案决定,将器件设计复制到晶圆上的薄膜上,”Lam Research 副总裁 Richard Wise 在博客中解释道。
“当光子击中抗蚀剂时,会引发连锁反应,改变材料结构,使其更易溶解,以便在随后的显影步骤中被冲走。光子被光刻胶吸收后产生电子,电子产生次级电子,次级电子集中光酸产生剂,产生光酸,但光刻胶经过烘烤后,光酸将通过材料进行扩散。”
更复杂的是,基于能量与波长的基本关系:波长越小,光子能量越大,EUV 单光子的能量是 193nm 波长单光子能量的 14 倍,因此光源总功率一定下,从光源发射出的光子数量则会减少,完成一次曝光所消耗的光子数目随之减少,在相同的曝光下,EUV 的光子数量要少 14 倍。
这相当于,假设您有 20 美元,可以是 2000 个便士币,同时也是 80 个面值为 25 美分的硬币,那么一个面值为 25 美分的硬币相当于一个便士币的 25 倍。
光子也是如此,假设在一个插图中,便士币代表 193nm 的光子,而 25 美分的硬币代表 EUV 光子,便士币的光子数量更多。
在光刻工艺中,其想法是产生尽可能多的光子。理论上,这可以确保您以较少的变化在芯片上图案化所需特征。“因此,光子数量越大,作为平均值的一部分变化就越小,”Fractilia 的 Mack 说。“因此,光子数量越少,变化就越大,这就是所谓的光量子散射噪声。”
基本上,193nm 光刻扫描仪以更少的能量产生更多的光子。相比之下,EUV 产生的光子更少,这意味着该过程中存在更大的统计变化概率。
在另一个例子中,假设一个芯片有许多微小的立方体区域。“然后,您会看到该立方体中有多少光刻胶光敏部分的分子,以及该立方体中吸收了多少光子,”麦克说。
理想情况下,光子将均匀地分散和被吸收在每个立方体区域中,但实际情况并非如此,假设 48 个 EUV 光子可能会被一个立方体吸收。在下一个立方体中,可能会变成 36 个光子被吸收,这是一个随机变化。
更加复杂的是,每个节点的特征尺寸都较小。因此,您有一个更小的立方体区域,且光子的数量更少,这意味着更高的随机概率。
那么这一切在晶圆厂中是如何进行的呢?前文所述,芯片制造商使用单一图案化方法在 7nm 处插入 EUV。在单次图案化中,您将特征图案放在一个掩模上,然后使用单次光刻曝光将它们打印在晶圆上。最初,芯片制造商希望使用剂量为 20 mJ/cm2 的 EUV 抗蚀剂。
“剂量是光刻胶在光刻曝光系统曝光时所承受的能量(每单位面积),”麦克解释说。
在较低剂量 (20mJ/cm2) 下,芯片制造商可以以高吞吐量打印精细特征。但是较低的剂量也意味着更少的光子,以及更高的随机概率。
因此,芯片制造商在 7nm 处使用更高的剂量,大约为 40mJ/cm2 及以上,但也有一些权衡。更高的剂量会转化为更多的光子,但扫描仪的吞吐量会受到影响。
同时,在 7nm 处,EUV 单次图案化用于打印间距从 38nm 到 36nm 特征图案。但是单图案 EUV 在 32nm 到 30nm 间距达到了它的极限。
超过 30nm 间距,则需要 EUV 双图案化,这属于 5nm 和 3nm 节点。双图案 EUV 需要将芯片图案分成两个掩模,然后将每一层打印为单独的层。
EUV 双重图案化更昂贵,因为该过程中有更多步骤。另一方面,您可以使用更高的剂量打印更大的特征,从而减少随机效应。
“随机性仍然是一个问题,但 EUV 双重模式缓解了其中的一些担忧,”Lam 的 Wise 说。“EUV 双图案化虽然成本更高,但其优势在于使 EUV 能够以更易于管理的间距运行。例如,如果您想打印 30nm 间距线,则可以使用直接打印来完成。但是随机性是一个重大挑战,因为随机性中最重要的因素是 CD 或正在打印的特征的大小。通过打印更大的尺寸,您基本上可以在给定的特征中捕获更多的光子,并且随机性得到改善。因此,您的权衡是在 EUV 双重图案的成本与随机性改进之间进行权衡。”