Литография: восходящее формирование рисунка

Литография: восходящее формирование рисунка

Выпуск 19 (6718) от 01 октября 2020 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

Литография стала одной из краеугольных технологий, позволивших за последние полвека непрерывно масштабировать ИС. Однако по мере дальнейшей миниатюризации, требующей создания элементов с критическими размерами менее 20 нм, традиционный процесс переноса рисунков становится все более сложным и дорогостоящим. Усложняются задачи обеспечения высокого разрешения и точного расположения элементов рисунка, особенно по мере освоения 3D-структур с высокими аспектными отношениями и сложными формами. Необходимы новые решения – ​такие, в частности, как избирательное осаждение (area-selective deposition, ASD) и непосредственная самосборка (directed self-assembly, DSA).

Специалисты полупроводниковой промышленности в разных странах мира исследуют альтернативные процессы формирования рисунка при изготовлении ИС. В частности, ученые Межуниверситетского центра микроэлектроники (IMEC, Левен, Бельгия) большое внимание уделяют ASD- и DSA-процессам и возможностям их использования в дополнение к классическим стратегиям формирования рисунка при помощи литографии для критических приложений.


Недостатки традиционных методов формирования рисунка

Процесс литографии заключается в переносе рисунков шаблона на резист подложки при помощи светового излучения. После этого осуществляются этапы травления, осаждения и т. п., в результате чего формируется итоговый рисунок. Масштабирование размеров топологических элементов усложняет как каждый этап процесса, так и весь процесс в целом. При формировании элементов с критическими размерами менее 20 нм задача точного совмещения рисунков становится все труднее. Появление 3D-структур также приводит к сокращению активной площади кристалла, увеличению аспектных отношений, усложнению форм. Таким образом, реализация нисходящего («сверху вниз») подхода к формированию рисунка становится все более проблематичной.

Около пяти лет назад полупроводниковая промышленность начала проявлять интерес к альтернативным подходам формирования рисунка – ​ASD и DSA. Эти восходящие («снизу вверх») методы обладают собственными наборами преимуществ и недостатков, но у них есть одна общая черта: возможность предложить новые решения. Следовательно, они обладают большим потенциалом для дополнения традиционных методов формирования рисунка в условиях промышленного производства перспективных наноэлектронных приборов.


DSA: масштабирование плотности, регулярные структуры

Исторически сложилось так, что нанесение рисунков, состоящих из все более мелких и плотно расположенных топологических элементов обеспечивалось за счет применения в установках пошаговой литографии источников излучения со все более короткими длинами волн. Этот показатель уменьшался в следующем порядке: 436 нм (g-line), 405 нм, 365 нм (i-line), 248 нм (эксимерные лазеры на парах KrF), 193 нм («сухие» эксимерные лазеры на парах ArF и иммерсионные ArF-лазеры). Последней в этом ряду стала литография с использованием источников излучения в предельной УФ-области спектра (EUV, длина волны – ​13,5 нм). На уровне 193-нм технологий были введены методики многократного формирования рисунка (начиная с двойного формирования рисунка), что позволило увеличить разрешающую способность. Сегодня также используются процессы LELE, SADPи SAQP. Последняя методика основана на одном этапе литографии (для формирования предварительного рисунка) и дополнительных этапах осаждения и травления (обеспечивающих мультиплексирование первоначального предварительного рисунка). Подобные процессы, как известно, очень сложны и дороги. Долгое время EUV-литография рассматривалась как возможность избавиться от вышеописанных методик и формировать структуры кристаллов ИС «за один прогон». Однако оказалось, что «однократная» EUV-литография применима только на топологиях 10/7 нм, а на уровне 5 нм и менее снова потребуется как минимум двойное формирование рисунка.

Предложенный несколько лет назад перспективный вариант формирования рисунка при помощи DSA основан на свойствах самосборки класса молекул, называемых блок-сополимерами (block-copolymers, BCPs). При определенных обстоятельствах эти материалы, нанесенные на пластину, подвергаются микрофазовому разделению. В результате формируется регулярный нанорисунок, состоящий из топологических элементов размером 5–30 нм, который может быть сконструирован путем подстройки состава полимера и размеров нанесенного слоя. Такую сборку можно дополнительно ориентировать (направить) с помощью предварительно нанесенного рисунка, состоящего либо из линий и промежутков, либо из отверстий – ​эти две структуры представляют наибольший интерес для полупроводниковой промышленности. Окончательный рисунок в этом случае будет иметь более плотный шаг элементов, чем предварительный. Таким образом, DSA – ​это нетрадиционный восходящий метод формирования рисунков, способный повысить их плотность и разрешающую способность.


Основные преимущества и проблемы

Для оценки актуальности DSA-процессов для крупносерийного производства полупроводниковых приборов было выделено несколько заслуживающих внимания показателей. В качестве основного преимущества процессов DSA по сравнению с методами многократного формирования рисунка IMEC рассматривает стоимость владения, т. е. затраты на разработку и эксплуатацию. Более низкое значение этого показателя в случае DSA объясняется главным образом меньшим числом этапов технологического процесса в сочетании с использованием традиционных методов литографии для создания релаксированного (менее плотного, чем целевой) предварительного рисунка [1]. Вторым преимуществом стала описанная корпорацией Intel на 65-й Международной конференции по электронным приборам (International Electronic Devices Meeting, IEDM) в 2019 г. возможность легкого контроля ошибки установки угла кристалла в заданное положение (edge placement error, EPE) – ​одной из основных проблем при традиционных подходах к формированию рисунка [2]. Кроме того, применение DSA позволяет получить более плотный шаг элементов по всей площади формируемого рисунка с высокой равномерностью (воспроизводимостью).

Однако, хотя DSA и менее сложна, чем традиционная EUV-литография, она обеспечивает меньшую гибкость проектирования. При помощи DSA-процессов легко создавать регулярные структуры (рисунки), но формировать нерегулярные структуры (например, рисунки с переменным шагом элементов) намного труднее. При создании перспективных проектов необходимо учитывать это ограничение DSA-процессов с точки зрения их использования при формировании рисунков. Создание «конструкций, ориентированных на DSA» становится важной задачей, которую необходимо будет решить в ближайшие годы.


Дефектность теперь преодолима

Для промышленного использования технологии необходим уровень дефектности менее 1·см–2.

На первых порах в рамках DSA-процессов такого уровня было крайне трудно достичь, и в связи с этим специалисты полупроводниковой промышленности не уделяли данной технологии достаточно внимания. Основной «вклад» в общий уровень дефектности вносят сдвиги рисунка и перемычки, образующиеся в процессе самосборки.

Последние усовершенствования DSA-процесса позволили значительно улучшить управление уровнем дефектности. Работы специалистов IMEC в области кинетики аннигиляции дефектов и фундаментальных представлений о возможностях управления возникновением сдвигов рисунка и перемычек позволили сократить время отжига с 2,5 часов до 10 минут. При этом достигаются упорядоченные состояния со стабильным и достаточно низким числом дефектов (рис. 1).



Источник: IMEC

Рисунок 1. Результаты мониторинга дефектов DSA процесса за 2017–2019 гг.


Переход ко второму поколению блок-сополимеров

Такая стабильность и малая дефектность DSA-процесса была достигнута с помощью трехкратного увеличения плотности рисунка. Шаг в 28 нм на итоговом рисунке может быть успешно достигнут благодаря нанесению BCP на предварительно сформированный при помощи 193-нм иммерсионной литографии рисунок с шагом элементов в 84 нм. Само трехкратное уплотнение рисунка обеспечивается за счет применения в качестве блок-сополимера полистирол-блок-полиметилметакрилата (polystyrene-block-polymethylmethacrylate, PS-b-PMMA).

Разработчики IMEC пытаются добиться шага менее 20 нм, для чего необходимо, в частности, уменьшить длину цепочек BCP. Полимеры PS-b-PMMA при шаге менее 21 нм перестают образовывать четкую структуру, BCP остаются в смешанном, неупорядоченном состоянии. Для решения этой проблемы специалисты IMEC совместно с поставщиками материалов и ведущими университетами пытаются перейти на второе поколение блок-сополимеров, получившее обозначение high-χ BCP (рис. 2). Знания и опыт, полученные в ходе работ с PS-b-PMMA, были перенесены на новое поколение блок-сополимеров, что обеспечивает хорошие параметры процесса самосборки.



Источник: Университет штата Миннесота, Источник: IMEC Техасский университет в Остине

Рисунок 2. Рисунок, сформированный линиями блок-сополимера high-χ и пространствами между ними в ходе DSA-процесса. Полный шаг линий и промежутков – 16 нм


В настоящее время в центре внимания исследователей остаются еще несколько вопросов. Во-первых, перенос рисунка на нижележащие материалы в таких масштабах оказался сложнее, чем ожидалось. Во-вторых, необходимо разработать новые методики метрологии, позволяющие оценивать уровень дефектности структур, полученных методом самосборки и обладающих крайне малыми размерами.


Из университета в IMEC, из IMEC – ​в промышленность

Специалисты IMEC начали изучать возможности использования метода DSA в полупроводниковой промышленности для формирования структур ИС более 10 лет назад. В то время указанный метод в основном оставался предметом академических, университетских исследований, но благодаря существенному прогрессу, достигнутому за последние годы, сегодня он привлекает внимание широких промышленных кругов. Надо отметить, что эволюция DSA проходила при активном участии университетов, поставщиков материалов и оборудования, разработчиков средств метрологии и т. д. Сформировавшаяся таким образом экосистема стала основным фактором достижения успеха. Предполагается, что эта экосистема сохранится и в рамках работ над следующими поколениями процессов DSA [1].

Продолжение статьи читайте в следующем выпуске.


1. Seon Suh Hyo, Delabie Annelies, Armini Silvia. Building Patterns from the Bottom: A Complementary Approach to Lithography. Semiconductor Digest, September 2, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/09/02/building-patterns-from-the-bottom-a-complementary-approach-to-lithography/ 

2. 65th International Electron Devices Meeting (IEDM): https://ieee-iedm.org/2019/program/plenary-session/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ