超寬帶極紫外光源在半導(dǎo)體量檢測(cè)中的應(yīng)用
在上一期《名家專(zhuān)欄》中，我們初探超寬帶極紫外光源在半導(dǎo)體量檢測(cè)中的應(yīng)用，從先進(jìn)高端芯片制造需求入手，對(duì)相干X射線(xiàn)衍射成像技術(shù)的原理及在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用做了重點(diǎn)分享，本期將介紹基于超寬帶極紫外工藝的散射測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用情況。
人工智能、云計(jì)算等領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)高端芯片需求極其強(qiáng)烈，而先進(jìn)高端芯片制造的核心步驟是光刻。目前*先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)采用13.5 nm（2%帶寬）的極紫外（Extreme ultraviolet, EUV）光，已應(yīng)用于5 nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)的芯片量產(chǎn)。在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中，每一道工藝都需要進(jìn)行定量測(cè)量以保證工藝指標(biāo)。隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮減和集成電路器件物理尺度的縮小，晶體管逐漸向三維結(jié)構(gòu)發(fā)展，需要量檢測(cè)的缺陷尺度和物理尺寸也在不斷縮小，光譜超寬帶的高次諧波(High order harmonic generation, HHG)相干光源具有重要應(yīng)用前景。
下面介紹基于超寬帶極紫外工藝的散射測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。散射測(cè)量法是一種通過(guò)分析器件中光強(qiáng)變化進(jìn)行測(cè)量的光學(xué)計(jì)量技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)中納米結(jié)構(gòu)表面的晶圓計(jì)量。目前存在兩種散射測(cè)量方法：角度分辨型與光譜型散射儀。角度分辨散射測(cè)量采用單波長(zhǎng)多角度探測(cè)方式，可同時(shí)測(cè)量零級(jí)和一級(jí)衍射信號(hào)；而光譜型系統(tǒng)則在固定入射角下工作，通過(guò)可見(jiàn)光或紫外波段寬譜測(cè)量?jī)H獲取零級(jí)衍射信號(hào)。而極紫外（EUV）散射測(cè)量在固定入射角下，采用類(lèi)激光多波長(zhǎng)測(cè)量非零級(jí)衍射光強(qiáng)。極紫外短波長(zhǎng)特性可激發(fā)納米光柵特征的多級(jí)衍射，相較于零級(jí)衍射光束，這些充分分離的高階衍射光束蘊(yùn)含更豐富的結(jié)構(gòu)信息。
在集成電路發(fā)展中，功耗約束下的器件微縮和集成度提升始終是集成電路發(fā)展的核心。然而傳統(tǒng)的二維平面集成方式面臨物理極限和工藝極限的瓶頸，晶體管級(jí)三維集成技術(shù)開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注。從早期的平面MOSFET到三維結(jié)構(gòu)的FinFET，F(xiàn)inFET以其三維鰭狀結(jié)構(gòu)有效提高了柵極對(duì)電流的控制能力，降低了漏電流并增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)速度。然而，隨著節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)和進(jìn)一步的微縮，環(huán)繞柵極器件 (gate all around, GAA)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[doi: 10.1109/IEDM.2018.8614629]。
圖1、先進(jìn)邏輯晶體管的技術(shù)演進(jìn)
在GAA技術(shù)中，溝道被柵極四面包裹，這種圍柵設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)電流的控制，顯著減少了短溝道效應(yīng)，因而能夠適應(yīng)更小的制程節(jié)點(diǎn)。但是，GAA的3D幾何形狀帶來(lái)了新的半導(dǎo)體測(cè)量挑戰(zhàn)[Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology, 2022, 21(2): 021206]。環(huán)繞柵極器件的制造需要三個(gè)關(guān)鍵且需精確計(jì)時(shí)的橫向刻蝕步驟來(lái)確定溝道長(zhǎng)度：硅鍺凹槽刻蝕、內(nèi)間隔層刻蝕以及納米片釋放刻蝕。ASML和Intel的科研人員使用10-20 nm 波長(zhǎng)的極紫外散射測(cè)量法提供了一種很有前途的下一代測(cè)量技術(shù)，適用于3D輪廓測(cè)量和套刻(overlay, OVL) 應(yīng)用。與目前現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)相比，這種波長(zhǎng)的解決方案具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：(1) 短波長(zhǎng)允許比傳統(tǒng)可見(jiàn)波長(zhǎng)提供的分辨率更高的測(cè)量，從而能夠測(cè)量器件間距。(2)以單次散射為主的信號(hào)在參數(shù)之間具有低相關(guān)性，這有助于信號(hào)的物理解釋?zhuān)沟迷S多感興趣的參數(shù)能夠被準(zhǔn)確地同時(shí)提取。(3)該波段提供3D測(cè)量功能，支持高達(dá)400 nm的穿透深度。這些特性使其適合測(cè)量高端芯片器件的3D輪廓。
該方法使用基于10-20 nm波長(zhǎng)相干光的散射測(cè)量概念，光源采用高次諧波極紫外光源(HHG EUV)，具有高亮度、寬帶、相干光源特性[Physical Review Letters, 1993, 71(13): 1994-1997]。類(lèi)激光的HHG EUV源聚焦照明到晶圓上，通過(guò)探測(cè)器收集衍射光。由于寬帶光源，周期性結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生具有空間分離的不同波長(zhǎng)衍射級(jí)，如圖2中的彩虹所示[Proceedings of SPIE, 2023, 12496: 124961I]?；诟叽沃C波極紫外光源，科研人員可以在埋藏的100-400 nm厚的GAA 3D結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)散射測(cè)量。
圖2、用于晶圓檢測(cè)的極紫外/軟X射線(xiàn)散射測(cè)量工具概念和遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖。
圖3、晶圓GAA 3D結(jié)構(gòu)散射測(cè)量。(a) 測(cè)量的英特爾GAA晶圓的示意圖：8個(gè)晶圓的平均凹槽蝕刻因蝕刻時(shí)間而異。(b) 從 GAA 測(cè)量的衍射圖案。 (c) 基于具有不同凹槽蝕刻時(shí)間的8個(gè)晶圓的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理結(jié)果。
如圖3所示，通過(guò)對(duì)標(biāo)稱(chēng)刻蝕時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)訓(xùn)練，可以觀(guān)察到對(duì)該凹槽刻蝕深度的檢測(cè)靈敏度。圖3(c)中的標(biāo)記形狀表示各測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)在晶圓上的徑向位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，就平均而言，邊緣測(cè)量點(diǎn)與設(shè)定值的偏差*大，而中間半徑位置測(cè)量點(diǎn)的偏差*小，這與刻蝕工藝的徑向特征預(yù)期完全吻合。
從上述例子可見(jiàn)，高次諧波過(guò)程產(chǎn)生的極紫外光源由于具有寬光譜、高亮度等特性，在量檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在其帶寬范圍內(nèi)，所有材料都表現(xiàn)出相似的特性：其折射率接近于1，因此單次散射通常占主導(dǎo)地位。這導(dǎo)致描述建模疊層結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)之間普遍存在強(qiáng)去相關(guān)性，即使在需要20多個(gè)參數(shù)來(lái)表征器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景中亦是如此。這種去相關(guān)性是極紫外/軟X射線(xiàn)輪廓計(jì)量技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軌蛲茢喑霰瓤梢?jiàn)光計(jì)量多得多的參數(shù)。其多波長(zhǎng)的寬帶光譜可以進(jìn)一步提高關(guān)鍵尺寸（CD）測(cè)量，套刻測(cè)量以及復(fù)雜的三維晶體管結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度，對(duì)于新的半導(dǎo)體工藝發(fā)展至關(guān)重要。
而且，基于極紫外光（EUV）的納米結(jié)構(gòu)計(jì)量技術(shù)正日益成為科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。極紫外短波長(zhǎng)特性使其對(duì)微小尺度結(jié)構(gòu)、元素組成以及電子磁序具有極高探測(cè)靈敏度。
人物介紹
曾志男，上海光機(jī)所研究員，其團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事高次諧波（HHG）和阿秒超快方面研究，參與建設(shè)上海超強(qiáng)超短激光裝置（SULF）等，發(fā)表 SCI 論文 80 余篇，編撰專(zhuān)著《阿秒激光技術(shù)》，先后獲得基金委“優(yōu)秀青年基金”和國(guó)家科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的資助。
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