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在毫米级晶圆上，绘制纳米级图案（一）

  • 三星电子晶圆代工事业部的EUV单图案最小节距（Minimum Pitch Single Patterning）

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三星电子晶圆代工事业部在国际互连技术大会（IITC, International Interconnect Technology Conference）上发表了一篇主题为“EUV Minimum Pitch Single Patterning（EUV单图案最小节距）”的论文。我们为此特别准备了这篇博文，希望将论文内容和EUV（极紫光外刻）技术的特点分享给更多人。 1. 首先来介绍光刻工艺 提起半导体，光刻工艺则是其中最受关注的关键词之一。EUV，则是用于光刻工艺的一项技术。我们先来深度了解一下光刻工艺，从而更好地理解EUV。
A. 在雕刻前进行绘制 在进行切割或雕刻前，我们首先要做的就是绘制图案。即提前把图案画好，以准确地在想要的部分上切割或雕刻。光刻步骤就类似于图案绘制的过程。半导体的生产，可以理解为堆叠和切割的重复，利用光刻工艺则可以让我们在想要切割的位置绘制图案。 B. 盖印图案 我们在日常生活中通常用笔来画草图，而通过光刻工艺的英文名称Photolithography中包含的Photo（照片、图案）这一词缀不难看出，光刻工艺多少与照片、图像有些渊源。如图[1]操作所示，光刻，是通过光将图案印在胶片上。 将想要绘制的图案制成薄板，使用该薄板让光或被阻隔或被透射，照射在需要的位置，显影图案。我们把这里使用的薄板，称为掩膜（Mask）或光罩（Reticle）。
图[1] 类似照相机原理的光刻工艺。为克服尺寸的局限性和确保精确度，薄板上的图形应比所需照射的图形尺寸大，中间再通过透镜（Lens）聚集光来缩小尺寸进行照射。
图[1] 类似照相机原理的光刻工艺。为克服尺寸的局限性和确保精确度，薄板上的图形应比所需照射的图形尺寸大，中间再通过透镜（Lens）聚集光来缩小尺寸进行照射。
图[1]类似照相机原理的光刻工艺。为克服尺寸的局限性和确保精确度，薄板上的图形应比所需照射的图形尺寸大，中间再通过透镜（Lens）聚集光来缩小尺寸进行照射。
但是，如果把光投射到纸上形成影子，影子的形状不会自行永久留在纸上。若要像照片一样，将照相机镜头照进来的光留下，我们则需要胶片将光留影。在光刻工艺中，涂覆的光刻胶（PR, Photo Resist）便起到胶片的作用。光刻胶在光的作用下，会产生本身特性的变化。如图[2]所示，将光刻胶涂覆到想要切割的物质上后，当光穿过掩膜照射时，受光的和未受光区域之间，光刻胶会出现性质差异。利用这种差异，在光刻胶的受光或未受光区域中，根据需要保留和移除所需区域，这个过程就是显影（Develop）。换言之，显影的区域便是掩膜的图案区域。这一系列过程被称为成像（Patterning），因为这是将掩膜的图案(Pattern)显影在想要切割的物质上的过程。
图[2]光刻胶有两种。留下未受光部分，并保留与掩膜遮挡部分相同的形状时称为正胶（Positive PR）；另一种与其相反，留下受光部分，并保留与掩膜穿透部分相同的形状时称为负胶（Negative PR）。
图[2]光刻胶有两种。留下未受光部分，并保留与掩膜遮挡部分相同的形状时称为正胶（Positive PR）；另一种与其相反，留下受光部分，并保留与掩膜穿透部分相同的形状时称为负胶（Negative PR）。
图[2]光刻胶有两种。留下未受光部分，并保留与掩膜遮挡部分相同的形状时称为正胶（Positive PR）；另一种与其相反，留下受光部分，并保留与掩膜穿透部分相同的形状时称为负胶（Negative PR）。
在成像之后，需要进行蚀刻（Etch）工艺来切割物质，蚀刻会在整个区域一并进行，留有光刻胶的部分会被保留下来，从而得出目标图案。 至此，我们已经了解了光刻工艺的基本作用和原理。如此看来，光刻工艺似乎是通过掩膜照射光即可完成的简单工艺。那么，在半导体行业中，光刻工艺的发展却为何如此受瞩目呢？
2. 为什么要发展光刻工艺？ 为了让工艺更加精细化，也就是使用更小的晶体管来生产半导体，我们需要克服很多因素的局限。其中之一就是光刻工艺。那么，光刻工艺面临的“拦路虎”到底是什么呢？
A. 影响成像的光的衍射和干涉 当光通过狭窄的缝隙时，会发生偏离原来的行进方向，出现扩散的衍射现象，以及两列光波相遇叠加或抵消的干涉现象，这就是影响成像的最大障碍。 如图[3]所示，光由于自身具备的衍射特性，在通过狭窄的缝隙时无法直行，而是以该缝隙为中心形成扇形波动进行扩散。衍射的特点是缝隙越窄或波长越长，扩散的范围就越大。
图[3] 在以上两种情况下，衍射现象更明显，波长扩散的范围也更大。波长变长的情况为(a)→(b)，缝隙宽度变窄的情况为(c)→(d)。
图[3] 在以上两种情况下，衍射现象更明显，波长扩散的范围也更大。波长变长的情况为(a)→(b)，缝隙宽度变窄的情况为(c)→(d)。
图[3]在以上两种情况下，衍射现象更明显，波长扩散的范围也更大。波长变长的情况为(a)→(b)，缝隙宽度变窄的情况为(c)→(d)。
而图[4]更为复杂，衍射的光经过两个以上的缝隙扩散，并相互产生干涉现象。如图[4]的(a)所示，如果缝隙的宽度和缝隙的间距相较于波长来说足够宽，就不会有问题，但如果像(b)一样宽度变窄且缝隙之间的距离更近，就无法在光刻胶上正确显影所需的形状。也就是说，图案的线条越细（缝隙窄）、排列越密（缝隙之间的间距越窄），就越难以绘制。
图[4] 通过较窄的缝隙时，衍射的光的扩散范围会更广，就会在更大的区域内发生大量干涉现象，从而光无法准确到达预期的位置。
图[4] 通过较窄的缝隙时，衍射的光的扩散范围会更广，就会在更大的区域内发生大量干涉现象，从而光无法准确到达预期的位置。
图[4]通过较窄的缝隙时，衍射的光的扩散范围会更广，就会在更大的区域内发生大量干涉现象，从而光无法准确到达预期的位置。
随着工艺技术的发展，晶体管的尺寸也越来越小。因此，光刻工艺中需要绘制的线条宽度越来越窄，且密度越来越大。这也就意味着光刻工艺的难度越来越大。 那么，我们是如何攻克光刻工艺所面临的这些壁垒呢？
3. 即使迂回曲折，也要准确达到目的地！ 要想克服光刻工艺所面临的局限性，有很多种方法。让我们先来了解一下间接克服光的衍射、干涉相关问题的几个例子。
A. 多重成像技术（Multi Patterning Technology）：如果难以一次绘制完成，就分成两次绘制！ 在经过狭窄的道路时，您是不是也和别人撞到过肩膀？但如果大家走路的时候，距离远一点，就可避免碰撞。对引起光之间相互干涉现象的问题，我们采取的解决方法也与此类似：即加宽缝隙之间的间隔，减少光与光之间的干涉。如图[5] (a)所示，对于较窄间距的四个缝隙，原来只进行一次成像，但现在通过(b)和(c)将其分为两次、每次两个缝隙来成像，便扩大了缝隙之间的间距，并减少了干涉。
图[5] 如果将因缝隙过窄，无法正常成像的(a)分成(b)和(c)进行两次操作，则缝隙之间间距会扩大，此时可以按照所需形状进行成像。
图[5] 如果将因缝隙过窄，无法正常成像的(a)分成(b)和(c)进行两次操作，则缝隙之间间距会扩大，此时可以按照所需形状进行成像。
图[5]如果将因缝隙过窄，无法正常成像的(a)分成(b)和(c)进行两次操作，则缝隙之间间距会扩大，此时可以按照所需形状进行成像。
这种方式被称为多重成像技术，因为它进行了多次成像。 B. 光学邻近效应修正（OPC）：印小做大；印大做小！ 在射箭打靶时，如果我们瞄准了靶心但箭射偏，我们通常会根据方向偏离情况，在下一次将箭相应地向相反方向瞄准拉弦，也就是将误差考虑进来，重新计算。与之类似，在创建掩膜时对成像出现的误差相应调整，就是光学邻近效应修正（OPC, Optical Proximity Correction）。如图[6]的过程所示，这是从结果中获得反馈后，故意将掩膜进行失真制作的方法。
图[6] 在进行光刻（Photo）和蚀刻（Etch）工艺流程时，由于光本身的特性导致成像未能正常完成，从而不同于掩膜的形状，会出现部分变厚或变薄，严重时甚至会消失，或出现与邻近部分粘连的情况。这一过程就是参考这种误差结果，来失真更改掩膜本身的形状进行操作，从而得到原本想要的形状。
图[6] 在进行光刻（Photo）和蚀刻（Etch）工艺流程时，由于光本身的特性导致成像未能正常完成，从而不同于掩膜的形状，会出现部分变厚或变薄，严重时甚至会消失，或出现与邻近部分粘连的情况。这一过程就是参考这种误差结果，来失真更改掩膜本身的形状进行操作，从而得到原本想要的形状。
图[6]在进行光刻（Photo）和蚀刻（Etch）工艺流程时，由于光本身的特性导致成像未能正常完成，从而不同于掩膜的形状，会出现部分变厚或变薄，严重时甚至会消失，或出现与邻近部分粘连的情况。这一过程就是参考这种误差结果，来失真更改掩膜本身的形状进行操作，从而得到原本想要的形状。
4. 为了直接解决问题而作出的努力 此外，我们还通过各种方法克服光自身特性给光刻工艺带来的局限性。但归根结底，在变小的图案中，若要解决光的本身特性所带来的问题，减少光的波长才是最根本的方法。（参考图[3]） 因此，我们也一直在努力减少波长。下一期的文章，我们将介绍光刻工艺的发展所带来的波长变化过程，以及最近备受关注的EUV所具备的特点。
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