Литография: восходящее формирование рисунка

Литография: восходящее формирование рисунка

Выпуск 20 (6719) от 15 октября 2020 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

В прошлом выпуске (см. первую часть статьи) было представлено начало статьи сотрудников Межуниверситетского центра микроэлектроники (IMEC, Левен, Бельгия). Рассматривались недостатки традиционных методов формирования рисунка, а также преимущества методики непосредственной самосборки (directed self-assembly, DSA). В этом выпуске рассматриваются привлекательные стороны технологии избирательного осаждения (area-selective deposition, ASD).


ASD: осаждение материала только там, где требуется

При избирательном осаждении материал осаждается только в зонах, предварительно сформированных рисунком, на остальной поверхности осаждения не происходит. Избирательность может достигаться за счет применения методов, основанных на избирательных поверхностных реакциях, таких как атомарно-слоевое осаждение (осаждение атомарных слоев, atomic layer deposition, ALD) и химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ, chemical vapor deposition, CVD).

Несколько лет назад эта методика восходящего формирования рисунка также вызвала интерес в полупроводниковой промышленности в качестве дополнительного подхода к традиционному нисходящему формированию рисунка. ASD, подобно DSA, обладает собственными преимуществами. По сравнению с традиционной литографией, она отличается возможностью использования в более широком круге применений, таких как формирование рисунка в сложных трехмерных структурах. Еще одно преимущество ASD заключается в принципиальной возможности размещения структур только там, где они необходимы, с атомарной точностью как по горизонтали, так и по вертикали. Таким образом, для некоторых применений данная методика может стать более жизнеспособным и рентабельным подходом, требующим меньших объемов химических веществ и меньшего энергопотреб-ления, чем методы нисходящего формирования рисунка.

До недавнего времени промышленное использование метода ASD ограничивалось избирательным эпитаксиальным выращиванием полупроводниковых структур и выращиванием слоев металлизации нанометровой толщины в структурах межсоединений. Это происходило в основном из-за того, что метод ASD изучался только для ограниченного числа процессов и материалов. Для расширения применимости метода необходимо фундаментальное понимание химии поверхности, поверхностной зависимости ALD и ХОПФ-процессов, а также роли в этих процессах материалов-предшественников (прекурсоров). Кроме того, необходимым условием становится возможность контролировать или смягчать возникновение дефектов в зонах отсутствия роста. Начиная с 2016 г. прогресс в этой области постоянно обсуждается на ежегодных симпозиумах по технологии избирательного осаждения (ASD Workshop). Растущий интерес научных и промышленных кругов к этой увлекательной области исследований находит отражение в непрерывном увеличении числа докладов на данном симпозиуме.


Растущее понимание вопросов химии и модификации поверхности

Специалисты IMEC успешно изучили несколько материальных систем, перспективных с точки зрения избирательного осаждения таких материалов, как нитрид титана (TiN) или рутений (Ru), играющих важную роль при производстве ИС. Было продемонстрировано, например, что диэлектрики с гидроксильными концевыми группами наподобие SiO2 могут выступать в качестве поверхности выращивания Ru. Тот же самый диэлектрический материал с концевыми группами CH3 может действовать как поверхность нулевого роста или маска. Результаты исследования подтверждают, что дополнительное воздействие на избирательность могут оказывать как прекурсоры ALD-процесса, так и реагенты. Но наиболее простым путем расширения окна избирательности становится пассивация поверхности с помощью тонкослойного покрытия или плазменной модификации.

Вторая релевантная материальная система включает в себя аморфный углерод (aC) в сочетании с нитридом кремния (Si3N4). Она предназначена для избирательного осаждения Ru, диоксида титана (TiO2) или олова. При этом aC может действовать как шаблон зоны отсутствия роста при условии, что собственный оксид (углерода), существующий на поверхности aC, может быть удален – ​например, с использованием водорода или галогенерирующих плазм. После плазменной обработки Si3N4 остается реакционноспособным по отношению к TiN в рамках ALD-процесса. Избирательное осаждение TiN уже было продемонстрировано на структурах, состоящих из дорожек аС и заполненных Si3N4 промежутков между ними (рис. 1). Кроме того, специалисты IMEC исследуют фундаментальные механизмы ASD при формировании наноразмерных рисунков, которые могут отличаться от механизмов обычного осаждения тонких пленок. Понимание этих механизмов имеет решающее значение при разработке эффективных стратегий предотвращения появления дефектов в рамках ASD-процесса.



Источник: IMEC

Рисунок 1. Структуры TiN толщиной 7,5 нм, избирательно осажденные на промежутки Si3N4 методом атомарно-слоевого осаждения. Дорожки аморфного углерода действуют как зоны отсутствия роста


Широкий диапазон потенциальных применений

Более глубокое понимание химии поверхности и механизма роста во время процесса ASD будет способствовать разработке новых его вариантов и обеспечит расширение спектра его применений. Потенциальные области применения включают в себя, например, само-совмещающиеся межслойные переходы (vias). Такие переходы представляют собой металлические конструкции, соединяющие разные слои металлизации на завершающих этапах обработки полупроводниковых пластин (BEOL). Традиционно формирование межслойных переходов начинается с формирования рисунка межслойного переходного отверстия и его вытравливания до нижележащего слоя. Затем это отверстие заполняется металлом (например, рутением) до переполнения, т. е. осаждение металла продолжается до тех пор, пока над нижележащим слоем не образуется завершающий слой металла. Формирование межслойного перехода завершается этапами травления и химико-механической полировки. С этой точки зрения, если размер межслойных переходов оказался слишком большим или произошло их смещение, возникает риск коротких замыканий или проблем с надежностью. Напротив, при ASD диэлектрика на ди-электрик, благодаря создаваемой топографии, спецификации по выравниванию и превышению размеров межслойных переходов могут быть ослаблены (рис. 2).



Источник: IMEC

Рисунок 2. Диэлектрик толщиной 8 нм, избирательно нанесенный на материал с низкой диэлектрической проницаемостью при помощи атомарно-слоевого осаждения. Медные токопроводящие дорожки, функционализированные органической пленкой с концевой метиловой группой, действуют как зоны отсутствия роста


Другие потенциальные применения – ​тоновые процессы инверсии, которые, как правило, позволяют получать обратные материальные рисунки и могут быть использованы для превращения отверстий в столбиковые выводы (контактные столбики) или пространств между токопроводящими дорожками в токопроводящие дорожки. ASD – ​перспективная технология для таких применений. В качестве подложки используется предварительно нанесенный жертвенный слой, а обратный материальный рисунок получается путем восходящего заполнения с помощью избирательного осаждения. Тоновая инверсия при помощи ASD может обеспечить решение проблемы в тех случаях, когда формирование рисунка при помощи традиционной литографии затруднено. Это касается, например, материалов жестких масок, таких как TiN или Ru. Кроме того, поскольку этапы переполнения и химико-механической полировки не нужны, общее число этапов технологического процесса будет меньше, чем при традиционном подходе. Процесс ASD тоновой инверсии также масштабируется в сторону формирования топологических элементов с меньшими размерами. Специалисты IMEC изучают применение тоновой инверсии процесса ASD для формирования рисунков из токопроводящих дорожек и пространств между ними, а также для формирования рисунков самосовмещающихся блоков.

Процесс ASD также может подойти для заполнения предельно узких канавок или отверстий, таких как межслойные соединения, или даже структур с высоким аспектным отношением, таких как «супермежслойные переходы» (supervias), или для вертикального размещения топологических элементов в сложных 3D-структурах, например в комплементарных полевых транзисторах (CFET). Причем потенциальные применения процесса ASD не ограничиваются вышеперечисленным.


Прорывной подход: безрезистная литография

С точки зрения формирования прорывного подхода специалисты IMEC изучают потенциал процесса ASD как альтернативного варианта литографии – ​без использования резиста. То есть рассматриваются возможности применения процесса ASD для поддержки EUV-литографиис высокой числовой апертурой (NA = 0,55). Литография с высокой NA, как ожидается, станет следующим поколением процесса EUV-литографии, обеспечивающим масштабирование перспективных полупроводниковых приборов до проектных норм 3 нм и менее. EUV-литография с оптикой, обеспечивающей высокую NA, обычно требует нанесения очень тонких слоев резиста. Равномерность нанесения таких слоев – ​крайне трудная задача. Кроме того, современные материалы резистов обладают очень сложным химическим составом. Под воздействием EUV-излучения боковые стенки между экспонируемыми и неэкспонируемыми участками могут демонстрировать значительную шероховатость, что приводит к колебаниям действительных размеров топологических элементов ИС.

Параллельно с поиском оптимального материала для EUV-литографии с высокой NA специалисты IMEC изучают возможность создания литографических шаблонов формирования рисунка без использования резистных материалов (рис. 3). Идея заключается в использовании модификаций поверхности, индуцируемых EUV-экспонированием, с целью избирательного осаждения материала жесткой маски. Для этого предусматривается несколько вариантов действий. Примером можно считать недавно запатентованный подход (Krishtab M., Armini S.), предусматривающий нанесение слоя углеродного материала поверх слоя, в котором будет формироваться рисунок. Углеродный слой состоит из аморфного углерода (аС) или углерода, нанесенного методом центрифугирования (spin-on-carbon, SOC). Верхняя поверхность углеродного слоя функционализируется галогеносодержащими группами (например, с помощью йодо- или фторсодержащей плазмы) для образования ALD-блокированных связей. Затем эта поверхность подвергается экспонированию EUV-излучением сквозь классический шаблон. В экспонируемых областях будут высвобождаться вторичные электроны, разрывающие связи галогеносодержащих групп. Для усиления генерации вторичных электронов на поверхности добавляется сенсибилизирующий слой. В результате образуются две разные области: избирательная по отношению к ALD область (1) и область, действующая как шаблон зоны отсутствия роста (2). В первой области с использованием ALD-процесса можно избирательно выращивать целевой материал (металл, оксид металла или нитрид).



Источник: IMEC

Рисунок 3. Схематическое отображение процессов стандартной (слева) и безрезистной (справа) EUV-литографии


В безрезистной литографии, точно так же, как и в традиционной EUV-литографии, применяется фотонное излучение. Но в данном случае воздействию источника излучения должна быть подвергнута только верхняя сторона, что позволяет снизить требующуюся для экспонирования дозу EUV-излучения.

На сегодняшний день основной целью EUV-литографии, поддерживаемой ASD-процессом, остается достижение глубокого понимания механизмов модификации поверхности в сочетании с избирательным осаждением соответствующих материалов. Кроме того, фундаментальной частью работы становится исследование взаимодействия EUV-излучения с модифицированными и немодифицированными поверхностями материалов. Рассмотренное исследование в значительной мере поддерживается работами по моделированию и инструментальными средствами, которые вскоре станут доступными в рамках проекта Attolab – ​недавно сформированной совместной инициативы IMEC и корпорации KMLabs (Боулдер, шт. Колорадо, США). Цель этого проекта – ​изучение поглощения EUV-фотонов в беспрецедентном масштабе времени – ​от аттосекунд до пикосекунд (10–18–10–12 с).


Заключение

Процессы непосредственной самосборки и избирательного осаждения рассматриваются как перспективные методы восходящего формирования рисунка, обладающие возможностью дополнить традиционные методики нисходящего формирования рисунка. Методика DSA в данный момент представляется непревзойденной с точки зрения создания регулярных структур, формирования рисунков с высокой плотностью размещения элементов. По сравнению с традиционными подходами к формированию рисунка DSA отличается более низкой стоимостью владения и малой частотой ошибок установки кристалла в заданное положение. Важным шагом на пути освоения этой методики в производстве стала продемонстрированная IMEC возможность контроля уровня дефектности. С другой стороны, новый процесс ASD позволяет размещать структуры только там, где это необходимо, при этом с высокой точностью. Данная технология обладает потенциалом широкого применения – ​от тоновой инверсии до литографии без использования резиста. Однако для реализации этого потенциала необходимо решить проблемы с химией поверхности, пассивирующей поверхности и механизмами осаждения, а также контролем уровня дефектности.


Suh Hyo Seon, 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/


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Дмитрий Суханов

Процесс ASD, безусловно, является привлекательным для нанометровой микроэлектроники, в том числе при формировании межуровневой разводки или токопроводящих дорожек, особенно если классические методы формирования не работают.

Возможности ухода от применения фоторезиста и сопутствующих проблем, связанных с его экспонированием и проявлением по всей толщине, а также снижения мощности источников излучения в области EUV крайне интересны.

Однако, на мой взгляд, технология «без использования фоторезиста» пока еще довольно сырая и находится на уроне научных экспериментов – ​ряд механизмов модификации поверхности требует понимания.

Вместе с тем события в мире микроэлектроники развиваются достаточно быстро, поэтому, думаю, в ближайшем будущем мы сможем воспользоваться достижениями новой технологии.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ