Ipinakita ng Cryo-ET ang mga Kumpol ng Photoresist, Pinababa ng 99 Porsiyento ang mga Depekto sa DUV ngunit Pinahina ang EUV

Mga natuklasan ng mga mananaliksik

Nakuha ng isang pangkat ng mga mananaliksik sa China ang isa sa pinakamalinaw na larawan sa ngayon ng nangyayari sa photoresist habang nililinang ang mga pattern ng chip. Gamit ang cryogenic electron tomography, o cryo-ET, inilarawan nila kung paano gumagalaw, naiipon, at nagkak kumpol ang mga natunaw na polymer ng photoresist sa loob ng likidong panglinang, sa antas ng nanometer. Ipinakikita ng mga larawan na malaking bahagi ng masa ng polymer ang lumilipat sa hangganan ng gas at likido at bumubuo ng mga kumpol na maaaring muling dumikit sa wafer at magdulot ng mga depekto sa pattern. Batay sa natuklasang ito, napag-alaman ng pangkat na ang bahagyang pagtataas sa temperatura ng post exposure bake at pagpapanatili ng tuloy-tuloy na sapin ng developer sa ibabaw ay pumipigil sa pagkak kumpol at nagpapababa nang mahigit 99 porsiyento sa bilang ng mga depekto sa mga wafer na 300 milimetro kapag gumagamit ng deep ultraviolet lithography.

Tinutugunan ng natuklasan ang isa sa pinakamahirap lutasin na problema sa paggawa ng chip. Dumaraan ang isang chip sa libu-libong hakbang, at ang mga mikroskopikong latak o partikulo sa alinmang yugto ay maaaring lumikha ng tulay, putol, o magaspang na gilid na nagpapababa sa ani. Mahalagang hakbang ang development kung saan tumataas ang panganib, dahil kailangang malinis at mahuhulaang matunaw ang nakalantad na resist habang nananatiling malinaw ang mga pattern. Hindi binabago ng bagong pag-aaral ang batayang kimika ng paglilipat ng pattern, ngunit inilalantad nito ang nakatagong prosesong nagpapaliwanag kung bakit may ilang latak pa ring lumilitaw sa kabila ng maingat na pagkontrol sa proseso.

Sa eksperimento, pinagmasdan ang mga polymer ng chemically amplified resist sa likas nilang likidong kapaligiran, sa resolusyong mas mahusay sa 5 nanometer. Lumitaw ang mga polymer bilang nababaluktot at tila sinulid na mga kadena. Sa mga saping na may kapal na humigit-kumulang 25 hanggang 100 nanometer, sinukat ng mga mananaliksik na humigit-kumulang 80 porsiyento ng masa ng polymer ang lumipat sa ibabaw ng suson ng likido, malapit sa bahagi kung saan nagtatagpo ang developer at hangin. Sa hangganang iyon, bumuo ang mga polymer ng mga kumpol na bahagyang magkakabuhol, karaniwang sampu-sampung nanometer ang lapad, na sapat ang laki upang magdulot ng mga depekto sa pattern kapag dumikit sa wafer. Kayang kalagin ng init ang mga pagkakabuhol na ito, na tugma sa obserbasyong napigilan ng mas mainit na post exposure bake ang pagbuo ng mga kumpol.

Nag-ulat ang pangkat ng dalawang praktikal na hakbang: itaas ang post exposure bake mula sa humigit-kumulang 95 degrees Celsius tungo sa mga 105 degrees Celsius, at panatilihin ang pantay na sapin ng developer sa ibabaw upang makontrol ang hangganan at matangay ang mga kumpol. Sa mga pagsubok sa mga wafer na 12 pulgada gamit ang kasalukuyang mga kemistri ng resist at karaniwang mga kagamitang deep ultraviolet para sa coating, exposure, bake, at development, pinababa ng pinagsamang paraang ito nang mahigit 99 porsiyento ang mga nakikitang depektong dulot ng latak. Gayunman, nagbabala ang mga may-akda na hindi nakatutulong ang pag-aayos ng temperaturang ito sa extreme ultraviolet lithography dahil pinapalaganap nito ang asido at pinalalabo ang pinakamaliliit na detalye.

Paano bumubuo ng mga pattern ang photoresist

Lumilikha ang lithography ng hulmahan ng circuit na humuhubog sa bawat metal at dielectric na detalye sa isang chip. Nilalagyan ng photoresist ang wafer, inilalantad sa liwanag na may pattern, bina-bake upang pasimulan ang mahahalagang reaksiyon, nililinang sa likidong nag-aalis sa mga itinakdang bahagi, saka binabanlawan at pinatutuyo. Para sa deep ultraviolet na 193 nanometer at extreme ultraviolet na 13.5 nanometer, ang pinakakaraniwang materyales ay mga chemically amplified resist. May photoacid generator ang mga saping na ito na naglalabas ng asido sa mga bahaging tinatamaan ng liwanag. Sa post exposure bake, pinabibilis ng asido ang mga reaksiyon sa loob ng polymer, na maaaring magpadaling tunawin ang mga bahaging nalantad para sa mga positive tone resist o magpahirap tunawin ang mga ito para sa mga negative tone resist.

Mukhang simple ang development mula sa labas, ngunit masalimuot ang pisika at kimika sa loob ng manipis na suson ng likido. Tinutunaw ng developer ang mga piraso ng polymer mula sa mga bahaging pinaaktibo ng liwanag at post exposure bake. Kumakalat ang likido sa wafer bilang kontroladong lawa o wisik, at may naiiwang napakanipis na sapin habang nagpapatuloy ang pagtunaw. Mahalaga ang mga hangganan sa yugtong ito. Maaaring mahila ang mga kadena ng polymer papunta sa hangganan ng gas at likido dahil sa mga puwersa sa ibabaw, saka magkabuhol at bumuo ng mga kumpol. Kapag muling dumikit ang mga kumpol o bahagyang natunaw na kadena sa gilid o pagitan ng magkakatabing linya, maaari silang magdulot ng pagdurugtong, pagkaputol ng linya, o gaspang na lilitaw bilang mga depekto sa mga susunod na hakbang.

Direktang inilarawan ng pangkat na Tsino ang pagkakabuhol na ito. Pinagdidikit ang mga kumpol na nakita nila ng mahihina at nababaligtad na interaksiyon. Dahil dito, sensitibo ang mga ito sa maliliit na pagbabago sa temperatura at sa kasaysayan ng daloy ng likido. Pinataas ng mas mainit na post exposure bake ang kakayahang gumalaw ng mga kadena at tumulong upang makumpleto ang mga reaksiyon, kaya naging mas pantay ang pagtunaw. Nagbigay naman ng mas kaunting pagkakataong mabuo ang mga kumpol sa hangganan ng gas at likido ang mas matatag na sapin ng developer, at mas napadali nitong tangayin ang mga ligaw na kadena bago ang pagbabanlaw at pagpapatuyo.

Bakit nakatutulong ang mas mainit na bake sa DUV ngunit nakasasama sa EUV

Ang kaparehong dagdag-init na nag-aalis ng mga latak sa deep ultraviolet ay maaaring makasira sa katumpakan ng pattern sa extreme ultraviolet. Sa mga prosesong gumagamit ng immersion sa 193 nanometer, karaniwan ang temperatura ng post exposure bake na nasa 95 hanggang 110 degrees Celsius. Maaaring pahusayin ng pag-aayos sa saklaw na ito ang pagkakaiba sa pagtunaw, bawasan ang mga latak, at palawakin ang magagamit na saklaw ng proseso. Pinaparelaks ng dagdag na init ang mga nababaligtad na pagkakabuhol ng kadena at pinabibilis ang kimikang nagtatakda kung aling mga bahagi ang matutunaw at alin ang mananatili. Kailangan pa rin ang maingat na pag-aayos, ngunit pasok sa karaniwang gawain para sa mga deep ultraviolet track tool at resist ang mga pagtaas na iniulat ng mga mananaliksik.

Mas hindi mapagparaya ang extreme ultraviolet patterning sa dagdag na diffusion. Mas maliliit ang mga detalye at mas mataas ang pabagu-bagong resulta dahil mas kaunti ang sinisipsip na photon sa bawat yunit ng lawak. Pinahahaba ng bahagyang pagtaas sa temperatura ng post exposure bake ang distansiya ng pagkalat ng asido at ang paggalaw ng iba pang sangkap. Dahil dito, kumakalat ang nakatagong larawan, lumalambot ang mga gilid, at tumataas ang gaspang ng gilid ng linya. Tumataas din ang posibilidad na mawala o magsanib ang mga linya sa pinakamasisikip na pagitan. Kaya sinisikap ng mga prosesong EUV na limitahan ang diffusion, kabilang ang pagmomoderate ng temperatura ng bake, pag-aayos sa dami ng quencher, at paglipat sa mga materyales na hindi umaasa sa malayuang chemical amplification.

Lumalipat ang maraming programa sa EUV development tungo sa mga photoresist na may metal o metal oxide, na mas mataas sumipsip ng EUV at likas na may maiikling reaksiyon. Nakagagawa ang mga materyales na ito ng pinong pattern nang hindi gaanong umaasa sa diffusion ng asido. Layunin ng paraang ito, kasama ng pag-optimize sa dosis at pagpapahusay sa mga proseso ng track, na mapanatili ang resolusyon habang pinipigil ang mga di-sinasadyang depekto, nang hindi gumagamit ng mas mataas na temperatura ng bake na magpapalabo sa mga detalye.

Dumating ang Cryo-ET sa mga laboratoryo ng paggawa ng chip

Mula selula tungo sa circuit

Naging pangunahing kasangkapan ang cryo-ET sa biyolohiyang pang-istruktura. Kinukulong ng paraang ito ang mga molekula sa kalagayang malapit sa likas sa pamamagitan ng mabilis na pagyeyelo hanggang maging salaming-yelo, saka binubuo muli ang tatlong-dimensiyonal na bolyum mula sa serye ng mga nakatagilid na dalawang-dimensiyonal na electron micrograph. Kinailangan ng tumpak na tiyempo at paghawak ng sampol upang maiangkop ang paraang ito sa kimika ng semiconductor. Inilantad at bina-bake ng pangkat ang isang wafer gamit ang karaniwang proseso, kumuha ng napakaliit na sampol ng likidong developer na may natunaw na mga kadena ng photoresist, saka ito pinalamig hanggang maging salaming-yelo sa loob ng ilang millisecond sa isang grid para sa electron microscopy. Sa pag-ikot ng nakapirming sampol sa loob ng electron microscope at pagkuha ng maraming projection, nabuo ng pangkat ang tatlong-dimensiyonal na ayos ng mga polymer sa loob ng likido.

Nagbigay ang resulta ng malawakang tanaw sa hakbang ng development na dati ay hindi kayang makuha. Sinusuri ng mga tradisyonal na kasangkapan ang mga tuyong latak, na maaaring magbago ang hugis, o kaya'y hinuhulaan ang kilos mula sa mga di-tuwirang sukatan gaya ng bilis ng pagtunaw at gaspang pagkatapos ng proseso. Nag-aalok ang cryo-ET ng pagtingin habang nagaganap ang proseso. Ipinakita sa mga larawan ng pag-aaral na ito ang mga kadena na tila sinulid at may paikot-ikot na hugis, ang matinding pag-ipon malapit sa ibabaw ng gas at likido, at ang mahihinang pagkakabuhol na kayang kalagin ng init. Sinusuportahan ng ebidensiyang ito ang tuwirang lunas sa mga prosesong deep ultraviolet: katamtamang pagsasaayos sa temperatura ng bake kasabay ng pagkontrol sa sapin ng developer sa track.

Nakatutulong din ang datos ng pangkat upang ipaliwanag kung bakit bihirang ituro ng mga nangungunang fab ang malalaking kumpol sa hangganan bilang pangunahing sanhi ng depekto sa pinakamaliliit na node. Karaniwang mas maliliit sa mga kumpol na nakita rito ang mga depektong nakasisira sa chip sa mga makabagong pagitan ng pattern, na nagpapahiwatig na napipigil na ng mga high-end na linya ang prosesong ito sa pamamagitan ng na-optimize na bake, kontroladong kondisyon ng track, at makabagong paraan ng pagbabanlaw. Nagbibigay ang cryo-ET sa mga mananaliksik ng mas malinaw na kasangkapan sa pagsusuri upang tiyakin ang pagpigil na ito at matuklasan ang iba pang prosesong nagaganap sa likidong yugto na maaaring maging mahalaga habang lumiliit ang mga sukat.

Ano ang kahulugan nito para sa China at sa pandaigdigang kompetisyon

Sinisikap ng mga tagagawa ng chip sa China na pataasin ang ani habang nahaharap sa mga limitasyon sa pagkuha ng mga kagamitang extreme ultraviolet at iba pang advanced na kagamitan. Nananatiling mahalaga ang deep ultraviolet na may multiple patterning sa pagbuo ng pinong detalye, ngunit pinararami ng bawat dagdag na hakbang sa exposure ang gastos at panganib. Ipinahihiwatig ng mga ulat na agresibong ginagamit ng malalaking foundry sa China ang mas lumang mga platform, kaya lalong nagiging kritikal ang pagkontrol sa depekto at paglilinis upang makamit ang katanggap-tanggap na ani. Mahalaga sa ganitong kalagayan ang anumang paraang maaasahang makababawas sa mga latak mula sa development gamit ang kasalukuyang kagamitan.

Aakit sa mga lokal na linya ang iniulat na recipe dahil hindi nito kailangan ng bagong exposure platform o di-pangkaraniwang materyales. Gumagamit ito ng karaniwang deep ultraviolet resist at kagamitan sa track. Pasok na sa karaniwang kakayahan ng track ang mga iminungkahing pagbabago, ang bahagyang mas mainit na post exposure bake at mga pagbabago sa hardware o recipe upang mapanatiling matatag ang sapin ng developer. Maaaring direktang maging mas maraming magagamit na chip sa bawat wafer ang mga pakinabang sa mga mature at mid-scale na node.

Hindi naman nito isinasara ang agwat sa extreme ultraviolet patterning. Sa halip, pinatitibay ng pag-aaral kung bakit nakasalalay ang tagumpay ng EUV sa mga materyales na kumukulong sa mga reaksiyon at sa mahigpit na pamamahala sa diffusion. Nagmumula ang pag-unlad dito sa mga bagong resist, mas malalakas na pinagmumulan, at mas mahusay na metrology, hindi sa mas mataas na temperatura ng bake. Mahalaga pa rin ang balangkas ng cryo-ET dahil maaari nitong linawin ang kilos sa likidong yugto sa marami pang ibang prosesong basa na nakaaapekto sa huling ani.

Mga limitasyon at mga ginagawa na ng nangungunang fab

Tinutukoy mismo ng pag-aaral na nababaligtad ang mga kumpol sa hangganang nakita nito at medyo malalaki ang mga ito. Iniiwasan na ng mga nangungunang fab ang pag-iwan ng mga hangganang nakalantad sa hangin at likido sa mga sensitibong yugto, at pinananatili nilang tuloy-tuloy ang mga sapin ng developer upang mabawasan ang panganib ng muling pagdikit. Pinamamahalaan ng mga module ng track ang pagbuo ng lawa ng likido, bilis ng pagbuhos, at mga ikot ng wafer upang mapanatili sa mahigpit na saklaw ang kapal ng sapin at tagal ng pagkakalantad. Kinakalkarado ang mga bake plate ayon sa lokasyon sa kabuuan ng wafer na 300 milimetro. Binabawasan naman ng mga filter at pamamahala sa solusyon ang mga partikulo at natitirang natunaw na organikong materyal.

May mga sensor at pagsusuri habang tumatakbo ang proseso ang mga makabagong lithography track upang makita ang paglihis sa proseso. Sa loob ng maraming taon, ginamit ang pagsusuri ng distribusyon ng mga depekto at maingat na pagdidisenyo ng mga eksperimento upang itakda sa ligtas na saklaw ang mga temperatura ng bake at oras ng paggamit ng developer. Nagbibigay ang mga larawan ng cryo-ET ng mekanistikong paliwanag na umaayon sa praktikal na karanasang ito. Makukumpirma ng mga inhinyero na mahina, dulot ng init, at tumutugon sa pagkontrol ng sapin ang mga pagkakabuhol sa ibabaw. Nakatutulong ang katiyakang ito sa pagdaragdag ng mga bagong kemistri o sa pagtutulak sa mga kilalang recipe hanggang sa hangganan ng kakayahan ng mga ito habang pinatataas ang ani.

Mga materyales na inaasahan para sa EUV

Bagaman nangingibabaw pa rin ang mga organikong chemically amplified resist sa mga deep ultraviolet na linya, patuloy na lumilipat ang balanse sa extreme ultraviolet tungo sa mga sistemang may metal. Mas maraming EUV photon ang sinisipsip ng mga resist na metal oxide at metal cluster na batay sa lata, hafnium, zirconium, at kaugnay na elemento sa bawat yunit ng kapal. Bumubuo rin ang mga ito ng mga network kapag inilantad na hindi umaasa sa malayuang pagdaloy ng asido. Nakatutulong ang mga katangiang ito na bawasan ang gaspang ng lapad ng linya at suportahan ang pagbuo ng pattern sa mga sukat na mas mababa sa 15 nanometer gamit ang mga dosis na praktikal pa rin para sa mga kagamitang pangproduksiyon. Inaayos ng mga mananaliksik ang mga sintetikong pamamaraan, kabilang ang vapor phase infiltration at non aqueous sol gel chemistry, upang makalikha ng pantay at matibay-sa-depektong mga sapin na may kontroladong sensitivity.

Pinaghalo sa isang kamakailang pag-aaral ang dalawang kumpol ng tin oxide upang makamit ang kapwa mataas na sensitivity at pinahusay na resistansiya sa pag-ukit ng gilid. Nakalikha ang timpla ng mga half-pitch na nasa saklaw na 13 hanggang 16 nanometer sa mga dosis na humigit-kumulang 50 hanggang 60 millijoule bawat square centimeter, na may mas mahusay na pananatili sa pag-ukit at mas makapal at matitibay na pattern. Ipinahiwatig ng spectroscopic analysis ang nagtutulungang interaksiyon ng mga kumpol habang inilalantad at sa mga reaksiyong post exposure. Itinuturo ng ganitong gawain ang landas sa mga materyales para sa mas malinaw na mga larawan ng EUV nang hindi pinapataas ang kapalit na panganib ng diffusion mula sa mas mainit na temperatura ng bake.

Tinututukan ng mga susunod na proyekto sa larangang ito ang disenyo ng ligand, mga bagong kombinasyon ng metal, at pagkontrol sa synthesis upang pigilan ang pagbuo ng mga di-sinasadyang depekto habang pinananatili ang resolusyon. Kapag nagtagumpay, babawasan ng mga materyales na ito ang pag-asa sa agresibong mga hakbang sa bake at bibigyan ang mga inhinyero ng track ng higit na kaluwagan sa pag-aayos ng development nang hindi isinasakripisyo ang talas ng mga gilid.

Ano ang dapat bantayan sa pagmamanupaktura

Para sa mga gumagawa ng chip na gumagamit ng deep ultraviolet, praktikal ang agarang aral. Tiyakin ang mga saklaw ng bake at developer gamit ang partikular na resist sa track at sukatin ang anumang pagbabago sa mga depekto mula sa latak. Maaaring makaapekto sa pagkakaroon ng sapat na panahon upang mabuo at muling dumikit ang mga kumpol ang pagkakapantay-pantay ng bake sa kabuuan ng wafer, tiyempo ng lawa ng developer, at galaw ng pagbuhos. Nasa saklaw na ginagamit na ng maraming fab ang temperatura sa pag-aaral, kaya mas simple itong suriin. Kailangang iwasan ang sobrang taas na temperatura o sobrang tagal na maaaring makasira sa mga resist o maglabas sa mga sukat sa pinapahintulutang saklaw.

Kasinghalaga ng mga recipe ang inspeksiyon at metrology. Mabilis na makapagsasaayos ang isang linya na kayang tumukoy at mag-uri ng mga latak sa maagang yugto ng pagpapataas ng ani. Magkakaugnay ang mga mapa ng depekto, sukatan ng gaspang ng gilid ng linya, at pag-optimize sa pagbabanlaw sa mga pagsasaayos ng bake na inilalarawan dito. Bagaman limitado ang kaugnayan nito sa EUV, mahalagang bagong kasangkapan mismo ang balangkas ng pagkuha ng larawan. Maaaring gamitin ang cryo-ET upang suriin ang mga interaksiyon sa likidong yugto sa iba pang prosesong basa, gaya ng pagbabanlaw pagkatapos ng development o piling paglilinis na basa, kung saan madalas na nakasalalay sa maliliit na kumpol ng molekula ang katatagan ng proseso.

Mahahalagang Punto

• Naging posible sa cryo-ET ang unang tuwirang 3D na pagtingin sa mga natunaw na polymer ng photoresist sa loob ng developer, at ipinakita nito ang pagkak kumpol sa hangganan ng gas at likido.
• Pinababa nang mahigit 99 porsiyento ang mga depektong dulot ng latak sa mga wafer na 300 milimetro para sa deep ultraviolet sa pamamagitan ng pagtataas sa post exposure bake mula humigit-kumulang 95 tungo sa 105 degrees Celsius at pagpapanatili ng tuloy-tuloy na sapin ng developer.
• Mahina at nababaligtad ng init ang mga pagkakabuhol sa mga kumpol, kaya naipaliliwanag kung bakit naaapektuhan ang mga ito ng medyo maliliit na pagbabago sa temperatura.
• Pinalalala naman ng kaparehong pagtaas ng temperatura ang katumpakan ng pattern sa extreme ultraviolet dahil pinatataas nito ang diffusion ng asido, pinalalabo ang mga gilid, at pinalalala ang gaspang ng gilid ng linya.
• Inaayos na ng mga nangungunang fab ang mga setting ng bake at developer upang maiwasan ang mga kumpol na ito sa ibabaw, kaya bihira silang makita bilang mga depektong sumisira sa chip sa pinakamaliliit na node.
• Maaaring makinabang sa mga bahaging angkop sa DUV ng pag-aaral ang mga fab sa China na umaasa sa deep ultraviolet multiple patterning, ngunit mas malaking hamon pa rin ang pagkuha ng EUV at mga materyales para rito.
• Layunin ng mga resist na metal oxide at metal cluster para sa EUV na maghatid ng mataas na pagsipsip, matibay na resistansiya sa pag-ukit, at maiikling reaksiyon na naglilimita sa diffusion nang hindi nangangailangan ng mas mainit na bake.
• Nagbubukas ang cryo-ET ng bagong paraan ng pagsusuri sa mga interaksiyon sa likidong yugto sa development, pagbabanlaw, at paglilinis na basa na humuhubog sa huling ani.