EUV光刻胶的机制

文摘   2024-10-04 07:44   陕西  

到目前为止,用于 EUV 光刻的大多数光刻胶都是基于 KrF 和 ArF 光刻胶平台的化学放大光刻胶(尽管新概念也正在认真考虑中)。但是,对 EUV 光刻胶的要求与在光学波长下使用的光刻胶的要求在某些关键方面有所不同。由于 EUV 光刻旨在用于产生超出 ArF 光刻分辨率极限的特征和间距,因此 EUV 光刻胶必须具有非常高的分辨率并且具有较低的线边缘粗糙度。由于 EUV 光源的输出与准分子激光器相比较低,因此对灵敏度的需求也更高,这个问题在第 2 章中进行了描述。对于 DUV 光刻胶,灵敏度是通过化学放大获得的,光酸扩散和产生脱保护的程度越大,曝光光刻胶所需的光子就越少。但是,大量的扩散会有效地模糊图像,从而降低分辨率。为了在曝光后烘烤后保持高分辨率图像,有一条经验法则,即化学放大光刻胶中光酸的扩散长度应小于间距的约 16%。1 以此估计为指导,对于 20 纳米半间距技术,扩散长度需要小于约 6 纳米,对于后续节点,扩散长度必须更小。除了对分辨率和 LER 有更严格的要求外,EUV 光刻胶的辐射化学机制与光学光刻胶不同,本章第一部分讨论了 EUV 光刻胶的这些机制。

化学放大 EUV 光刻胶的曝光机制

在 KrF 和 ArF 化学放大光刻胶中,入射光子被光酸发生器吸收,而酸是这种光吸收的直接结果。2 EUV 光刻胶中的辐射化学涉及略有不同的机制。 EUV 光子能量极高(~92 eV),因此光吸收通常会导致光电子的产生。电子与光酸发生器碰撞后会产生酸。3,4,5,6 这些电子可以是未散射的光电子或弹性散射电子,但也可以是非弹性碰撞产生的低能量电子。如图 5.1 示意图所示,能量为 hn 的 EUV 光子的光吸收将产生能量为 hn Ie 的光电子,其中 Ie 是产生光电子的光刻胶分子的电离能。光电子可以非弹性散射,在散射过程中会损失一些能量。这种散射可以产生更多的离子和电子,该过程持续到产生的电子的能量低于阈值 Eth 为止,低于该阈值将不会再发生电离事件。重要的是,足够高能的电子与光酸发生器相遇会产生光酸。

如图 5.1 所示,光电子将从其起点传播并随后散射,这可能导致产生额外的高能电子。许多这些二次电子也有可能引发化学反应。因此,EUV 光刻胶的量子产率实际上可以超过 1.0,9,其中

这与 DUV 光刻不同,DUV 光刻的量子产率通常小于 1.0。
光电子和二次电子在散射之前会行进一段距离。散射前的平均距离称为平均自由程。因此,即使在曝光后烘烤之前,光刻胶中的原始光学图像也会变得模糊。尽管有机材料中能量 ~100 eV 的电子的平均自由程小于 1 nm,10,11 但可能会发生多次散射事件,导致光酸生成的范围可能远大于从初始光子吸收点开始的 1 nm。情况很复杂,因为 EUV 光刻胶中的电子是由电离事件产生的,而产生的正离子可以吸引电子,从而缩小它们的射程。EUV 光刻胶中实际光电子射程的确定仍然是一个活跃的研究领域,12,13 答案将对 EUV 光刻的最终分辨率能力产生影响。了解光电子和二次电子模糊的性质可以找到限制对分辨率影响的方法。
虽然现有数据不完整,但已经从使用 EUV 干涉光刻的曝光中确定了光电子限制分辨率的上限。干涉光刻提供比投影光刻通常实现的更高对比度的空中图像(所有间距的 NILS = p),但这种图像能够确定光刻胶中工艺施加的限制,与图像对比度无关。使用干涉光刻,已经获得了具有 10 纳米半间距的线/空间图案,这表明 EUV 光刻可以扩展到这样的尺寸而不受光电子模糊的限制。14
由于 EUV 光子的能量高于 DUV 光子,因此可能出现的另一个问题是聚合物交联,这种交联在能量更高的辐射中发生得更严重。因此,光刻胶可以同时在低到中等剂量下表现出正光刻胶行为,在较高剂量下表现出负光刻胶行为。图 5.2 对此进行了说明,这是 EUV 光刻技术中另一个需要从业者注意的抗蚀剂问题。图 5.2 显示了用 KrF 和 EUV 光曝光的抗蚀剂的实验特性曲线。当用 KrF 光曝光时,抗蚀剂在整个曝光范围内都表现出正抗蚀剂特性。另一方面,在 EUV 曝光下,抗蚀剂在低剂量和中等剂量下表现出正特性,但在较高剂量下表现出明显的负抗蚀剂行为。这种负抗蚀剂行为归因于形成抗蚀剂的聚合物的交联。

EUV 光刻胶辐射化学的细节非常重要,因为量子级现象会影响光刻胶的特性,而这些特性对于 EUV 光刻技术来说非常重要,而 EUV 光刻技术适用于 20 nm 及以下的特征尺寸。这些量子级特性中,第一个被认为重要的特性是线边缘粗糙度 (LER),它会影响线宽控制,并可能限制 EUV 光刻技术对关键层的适用性,例如晶体管栅极和金属层。随着对 EUV 光刻技术的 LER 问题进行详细研究,人们认识到,以概率方式变化并从而导致 LER 的潜在物理机制也会引起缺陷。16 以概率方式变化的物理过程通常被称为随机现象。下一节将更详细地讨论随机现象。(表征 LER 的指标在《光刻原理》第 3 章中进行了详细讨论。17)分辨率是光刻胶的另一个特性,其中量子级现象很重要。在 EUV 光刻技术的发展过程中,我们发现显影后的抗蚀剂图案的分辨率远远低于光学分辨率。进一步研究该问题后,我们发现抗蚀剂图案的分辨率受到曝光后烘烤过程中光酸扩散的限制。18 为了解决这个问题,EUV 抗蚀剂供应商通过使用光酸产生剂来改进抗蚀剂成分,从而产生扩散长度更短的光酸,19 并且增加了碱猝灭剂的量。20 结果是使用 EUV 光刻技术获得的分辨率显著提高。
然而,减少光酸扩散虽然可以提高分辨率,但并非没有缺点。随着扩散的减少,每个光酸的脱保护量也会减少,从而需要更高的曝光剂量。此外,抗蚀剂中的扩散有助于减轻线边缘粗糙度,这种效果已经在 KrF 21 和 ArF 光刻技术中得到认可。22 光酸扩散越少,LER 就越大。这次经验使人们认识到,分辨率、线边缘粗糙度和光刻胶曝光剂量敏感度之间存在权衡,这被称为 RLS 三角23(图 5.3)。通常希望减少三角形中的所有三个量,但减少三角形一角的参数通常需要增加其中一个或两个其他量。

分辨率、LER 和灵敏度之间的相互作用可以用一个指标来表示,即 Z 因子:


其中 R 表示半节距 (nm) 的分辨率,L 表示 LER (nm),S 表示曝光剂量 (mJ/nm2)。Z 因子在单个参数中考虑了分辨率、LER 和曝光剂量之间的权衡。Z 值越小越好,典型值为 ~2 10–8 mJ-nm3。25
请注意,组成 Z 因子的三个参数不能任意调整。光刻技术针对特定节点,因此给定节点的分辨率是固定的。此外,集成技术的要求将为 LER 施加最大可用值,使剂量灵敏度成为电路级技术唯一未固定的参数。

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