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極端紫外線リソグラフィー( EUVL 、単にEUVとも呼ばれる) は、半導体業界で集積回路(IC)の製造に使用される技術です。レーザーパルススズ (Sn) プラズマからの 13.5 nm極端紫外線(EUV) 光を使用して半導体基板上に複雑なパターンを作成する フォトリソグラフィーの一種です。
2023年現在[アップデート]、ASMLホールディングスは、 5ナノメートル（nm）および3nmプロセスノードをターゲットとしたチップ製造用のEUVシステムを製造・販売している唯一の企業です。
EUVLで使用されるEUV波長は13.5 ナノメートル（nm）付近で、レーザーパルススズ（Sn）液滴プラズマを使用して、反射フォトマスクを使用してフォトレジストで覆われた基板を露光し、パターンを生成します。Sn IXからSn XIVまでのイオン状態のスズイオンは、4p 6 4d n – 4p 5 4d n +1 + 4d n −1 4fイオン状態遷移から13.5 nm付近に光子放出スペクトルのピークを与えます。 [1]
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アブソーバー
EUV放射
抵抗する
基板
二次電子
ラインをイメージングするためのマスク パターンを構成する EUV 多層膜と吸収体。マスク パターンから反射された EUV 放射はレジストと基板に吸収され、光電子と二次電子を生成します。これらの電子はレジスト内の化学反応の範囲を拡大します。ランダムな二次電子パターンが光学画像に重ね合わされます。不要な二次電子の露出により、解像度の低下、ライン エッジの粗さ、および線幅のばらつきが目立ちます。歴史と経済的影響
1960 年代には、波長が 435 nm (水銀の「g 線」 ) と短い可視光が集積回路の製造に使用されました 。
その後、紫外線(UV) 光が使用されるようになりました。最初は 365 nm の波長 (水銀「i 線」) でしたが、その後、エキシマ波長 (最初は 248 nm (フッ化クリプトン レーザー)、次に 193 nm (フッ化アルゴン レーザー) となり、深紫外線と呼ばれるようになりました。
次のステップは、さらに小型化を進め、極端紫外線（EUV）と呼ばれました。EUV 技術は多くの人から不可能だと思われていました。
EUV 光はガラスと空気に吸収されるため、従来のようにレンズを使用して光線を集束させる代わりに、真空中のミラーが必要になります。EUV の安定した生産も問題でした。その後、ステッパーの大手メーカーであるキヤノンとニコンが開発を中止し、ムーアの法則の終焉を予測する人もいました。[要出典]
1991年、ベル研究所の科学者たちは、いわゆる軟X線投影リソグラフィーに13.8nmの波長を使用する可能性を示す論文を発表しました。[2]
EUVリソグラフィーの課題に取り組むため、ローレンス・リバモア国立研究所、ローレンス・バークレー国立研究所、サンディア国立研究所の研究者は、1990年代に技術的障害の基礎研究を行うための資金提供を受けた。この成功した取り組みの結果は、官民パートナーシップ共同研究開発契約（CRADA）を通じて普及され、発明と権利は米国政府が完全に所有していたが、DOEと議会の承認の下でライセンス供与され配布された。[3] CRADAは、極端紫外線有限責任会社（EUV LLC）と呼ばれる法人と研究所の民間企業コンソーシアムで構成されていた。[4]
インテル、キヤノン、ニコン（当時この分野のリーダー）に加え、オランダのASMLとシリコンバレーグループ（SVG）もライセンスを申請した。議会は、当時日本企業が強力な技術的競争相手とみなされており、アメリカ企業を犠牲にして納税者の資金による研究の恩恵を受けるべきではないとして、日本企業に必要な許可を与えなかった[要出典]。[5] 2001年にSVGはASMLに買収され、ASMLが重要な技術の唯一の受益者となった。[6]
2018年までに、ASMLは、欧州の資金援助を受けたEUCLIDES（極端紫外線コンセプトリソグラフィー開発システム）と長年のパートナーであるドイツの光学メーカーZEISS、シンクロトロン光源サプライヤーのオックスフォードインストゥルメンツを組み込んだ数十年にわたる開発研究を経て、EUV-LLCの知的財産を展開することに成功しました。これにより、 MITテクノロジーレビューはこれを「ムーアの法則を救ったマシン」と名付けました。[7] 2006年の最初のプロトタイプは、23時間で1枚のウェーハを生産しました。2022年現在、スキャナーは1時間あたり最大200枚のウェーハを生産しています。スキャナーは、欠陥の位置を特定し、イオンビームフィギングなどの技術で個々の分子を叩き落とすことで製造される、同社が「世界で最も正確なミラー」と呼ぶZeissの光学系を使用しています。[8]
これにより、かつては小さな会社だったASMLは、スキャナー製造の世界的リーダーとなり、この最先端技術の独占企業となり、2021年には186億ユーロという記録的な売上高を達成し、IPアクセスを拒否された競合他社のキヤノンやニコンを圧倒した。これは多くの分野の開発にとって非常に重要な技術であるため、米国のライセンサーはオランダ当局に対し、これらの機械を中国に販売しないよう圧力をかけた。ASMLはオランダの輸出管理のガイドラインに従っており、追って通知があるまで、これらの機械を中国に出荷する権限はない。[9]
マルチパターニングとともに、EUV はトランジスタ密度の向上への道を開き、より高性能なプロセッサの製造を可能にしました。トランジスタが小型化すれば動作に必要な電力も少なくなり、よりエネルギー効率の高い電子機器が実現します。
市場成長予測
Pragma Market Researchのレポートによると、[10]世界の極端紫外線（EUV）リソグラフィー市場は、2024年の89億5,780万米ドルから2030年には173億5,000万米ドルに成長し、年平均成長率（CAGR）は11.7％になると予測されています。この大幅な成長は、スマートフォン、人工知能、高性能コンピューティングなど、さまざまな分野で小型電子機器の需要が高まっていることを反映しています。
ファブツール出力
EUVステッパーの要件は、EUVを必要とする設計の層数、マシンの数、および工場の望ましいスループット（1日24時間稼働を想定）に基づいています。[11]
マスク
EUVフォトマスクは光を反射することで機能し、[12]これはモリブデンとシリコンの複数の交互層を使用することで実現されます。これは、石英基板上の単一のクロム層を使用して光を遮断することで機能する従来のフォトマスクとは対照的です。EUVマスクは、40～50 [13]のシリコンとモリブデンの交互層で構成されています。[14]これは、ブラッグ回折によって極端紫外線を反射する多層構造です。反射率は入射角と波長に強く依存し、長い波長は垂直入射に近い反射をより多く、短い波長は垂直入射から離れた反射をより多くします。多層構造は、キャッピング層と呼ばれる薄いルテニウム層で保護される場合があります。 [13] [15] [16]パターンは、キャッピング層の上のタンタルベースの吸収層で定義されます。 [17]
ブランクフォトマスクは、主にAGC株式会社とHOYA株式会社の2社によって製造されています。[18]多層膜の堆積には、主にVeeco社製のイオンビーム蒸着装置がよく使用されます。 [13]ブランクフォトマスクはフォトレジストで覆われ、オーブンで焼成（固化）され、その後、電子ビームを使用したマスクレスリソグラフィーを使用してフォトレジスト上にパターンが定義されます。このステップは露光と呼ばれます。[19]露光されたフォトレジストは現像（除去）され、保護されていない領域がエッチングされます。次に、残りのフォトレジストが除去されます。次に、マスクは検査され、後で電子ビームを使用して修復されます。[20]エッチングは吸収層でのみ行う必要があるため、 [13]キャッピング層と吸収層を区別する必要があり、これはエッチング選択性と呼ばれています[21]。これは、機能に重要な1つの層のみを持つ従来のフォトマスクのエッチングとは異なります。[22]
道具
EUVツール（EUVフォトリソグラフィー装置）には、レーザー駆動のスズ（Sn）プラズマ光源、多層ミラーを含む反射光学系が水素ガス雰囲気内に収められています。[23]水素は、Snプラズマから広範囲の角度（約2π sr）で放射されるEUVを収集する最初のミラーであるEUVコレクターミラーを、ソース内のSn堆積から保護するために使用されます。[24]具体的には、EUVソースチャンバーまたは容器内の水素バッファガスは、EUVコレクターに向かって移動するSnイオンとSnデブリを減速または押し戻し（コレクター保護）、化学反応を可能にして、コレクター上のSn堆積をガスの形で除去します（コレクター反射率回復）。
EUVLは、深紫外線リソグラフィーの標準から大きく逸脱しています。すべての物質はEUV放射を吸収します。したがって、EUVリソグラフィーには真空が必要です。フォトマスクを含むすべての光学要素は、層間波干渉によって光を反射する欠陥のないモリブデン/シリコン（Mo / Si）多層膜（50のMo / Si二重層で構成され、13.5 nmでの理論的な反射率の限界は約75％です[25]）を使用する必要があります。これらのミラーはいずれも入射光の約30％を吸収するため、ミラーの温度制御が重要です。
現在の EUVL システムには、少なくとも 2 つの集光多層膜ミラー、6 つの投影多層膜ミラー、および多層オブジェクト (マスク) が含まれています。ミラーは EUV 光の 96% を吸収するため、理想的な EUV 光源は、以前のものよりもはるかに明るくする必要があります。EUV 光源の開発は、レーザーまたは放電パルスによって生成されるプラズマに重点を置いています。光を集める役割を担うミラーはプラズマに直接さらされており、高エネルギーイオン[26] [27]やスズ滴などのその他の破片[28]による損傷を受けやすく、高価なコレクターミラーを毎年交換する必要があります。[29]
リソース要件
EUVでは、 193 nm 液浸スキャナと比較して、後者を使用した 2 回の露光でも、必要なユーティリティ リソースが大幅に大きくなります。2009 年の EUV シンポジウムで、Hynix は、EUV の電力変換効率が約 0.02% であると報告しました。つまり、1 時間あたり 100 枚のウェーハに対して中間焦点で 200 ワットを得るには、1 メガワットの入力電力が必要ですが、ArF 液浸スキャナの場合は 165 キロワットです。また、同じスループットでも、EUV スキャナのフットプリントは ArF 液浸スキャナのフットプリントの約 3 倍であり、生産性の低下につながります。[30]さらに、イオン デブリを閉じ込めるために、超伝導磁石が必要になる場合があります。[31]
典型的なEUVツールの重量は約200トン[32]で、コストは約1億8000万ドルです。[33]
EUVツールは液浸ツールよりも少なくとも10倍多くのエネルギーを消費します。[34]
主な機能の概要
次の表は、開発中の EUV システムと、現在生産現場で広く使用されている ArF 液浸システムの主な違いをまとめたものです。
0.33 NAツール間の解像度の違いは、照明オプションの違いによるものです。光学系は20nm以下の解像度に達する可能性がありますが、レジスト内の二次電子により、実質的に解像度は20nm程度に制限されます（詳細は後述）。[46]
光源の電力、スループット、稼働時間
中性原子や凝縮物質はEUV放射を放射できない。物質内でのEUV放射に先立ってイオン化が起きなければならない。多価正イオンの熱生成は、それ自体がEUVを強く吸収する高温高密度プラズマ内でのみ可能である。 [47] 2016年現在、確立されているEUV光源はレーザーパルススズプラズマである。[48]イオンは放射するEUV光を吸収し、プラズマ内の電子によって容易に中和されて電荷状態を低下させ、主に他の使用できない波長で光を生成するため、プラズマ電力密度が高い場合のリソグラフィーの光生成効率が大幅に低下する。
スループットは、ソース電力を線量で割った値に関係しています。[49]パルス電力を増やすことができない場合、線量を増やすにはステージの動きを遅くする必要があります（スループットは低くなります）。
EUVコレクターの反射率は50kHzパルス10億回あたり約0.1～0.3%低下し（約2週間で約10%低下）、稼働時間とスループットの低下につながります。また、最初の数十億パルス（1日以内）でも20%（±10%）の変動が見られます。[50]これは、前述のSn残留物が完全に除去されていないために蓄積している可能性があります。[51] [52]一方、従来のダブルパターニング用液浸リソグラフィーツールは、最大1年間安定した出力を提供します。[53]
最近、NXE:3400B照明装置は、透過損失なしで瞳孔充填率（PFR）を20％まで下げることができるようになりました。[54] PFRは最大化され、金属ピッチが45nm付近で0.2を超えます。[55]
EUVミラーはEUV光を吸収するため、最終的にウエハーで利用できるのは光源光のごく一部だけである。照明光学系には4枚のミラーが使用され、投影光学系には6枚のミラーが使用される。EUVマスクまたはレチクル自体が追加のミラーである。11回の反射で、ウエハーで利用できるEUV光源光の約2％のみである。[56]
スループットはEUVレジストの線量によって決まり、これは必要な解像度に依存します。[57]適切なスループットを得るには40mJ/cm2の線量を維持することが期待されます。[58]
ツールの稼働時間
EUV光源は、スループットだけでなくツールの稼働時間も制限します。たとえば、2週間の期間では、7時間以上のダウンタイムが予定されている可能性がありますが、予定外の問題を含む実際のダウンタイムの合計は簡単に1日を超える可能性があります。[56] 2％を超える線量エラーはツールのダウンタイムを正当化します。[56]
ウェーハ露光スループットは、2019年から2022年にかけて着実に拡大し、1日あたり約1000枚（システムあたり）に達しました。 [59] [60]これはかなりのアイドル時間があることを示していますが、同時に、EUVウェーハ1枚あたり平均で120枚を超えるウェーハを、多数のマルチパターンEUVレイヤーで1日あたり実行しています。
他のリソグラフィー光源との比較
EUV （10～121 nm）は、X線（0.1～10 nm）よりも長く、水素ライマンアルファ線よりも短い帯域です。
最先端の193 nm ArF エキシマレーザーは200 W/cm 2の強度を提供しますが、[61] EUV生成プラズマを生成するためのレーザーは10 11 W/cm 2 のオーダーのはるかに強力なものが必要です。[62]最先端のArF液浸リソグラフィー120 W光源は40 kW以下の電力しか必要としませんが、[63] EUV光源は40 kWを超えることを目標としています。[64]
EUVリソグラフィーの光出力目標は少なくとも250Wであるが、他の従来のリソグラフィー光源ではそれよりはるかに低い。[56]例えば、液浸リソグラフィー光源の目標は90W、ドライArF光源は45W、KrF光源は40Wである。高NA EUV光源では少なくとも500Wが必要になると予想される。[56]
EUV特有の光学的問題
反射光学系
EUVLツールの基本的な特徴は、反射光学系の使用から生じるもので、多層マスク（レチクル）上のオフアクシス照明（角度6°、照明スリット内の異なる位置で異なる方向）[65]です。これにより影の効果が生じ、回折パターンに非対称が生じ、以下に説明するようにさまざまな方法でパターンの忠実度が低下します。[66] [67]たとえば、片側（影の後ろ）はもう片側（影の中）よりも明るく見えます。[68]
反射面内の光線の挙動（水平線に影響）は、反射面外の光線の挙動（垂直線に影響）とは異なります。[69]最も顕著なのは、EUVマスク上の同一サイズの水平線と垂直線が、ウェーハ上では異なるサイズで印刷されていることです。
オフアクシス非対称性とマスクの影効果の組み合わせにより、2つの同一の特徴が近接していても、同時に焦点を合わせることが基本的に不可能になります。[70] EUVLの重要な問題の1つは、一対の水平線（いわゆる「2バー」）の上部と下部の線の非対称性です。部分的に補正する方法としては、補助機能の使用と非対称照明があります。[71]
2本のバーのケースを、多数の水平線からなる格子に拡張すると、焦点ずれに対する同様の感度が示されます。[72]これは、11本の水平線のセットの上端と下端の線の間の臨界寸法（CD）の差に現れます。
反射による偏光はEUV光の部分的な偏光にもつながり、反射面に対して垂直な線を結像しやすくなります。[73] [74]
焦点外れによるパターンシフト（非テレセントリック性）
EUVマスク吸収体は、部分透過により、ラインスペースパターンの0次回折次と1次回折次の間に位相差を生成し、（所定の照明角度での）画像シフトとピーク強度の変化（線幅の変化につながる）を引き起こし、さらに焦点外れによってそれが強調される。[75] [76]最終的に、これにより、異なるピッチと異なる照明角度に対して、最適焦点の位置が異なってくる。一般に、照明源ポイントがペアになっている（それぞれ光軸の反対側にある）ため、画像シフトは相殺される。しかし、個々の光源画像シフトが十分に大きい場合、個別の画像が重ね合わされ、結果として得られる画像コントラストが低下する。位相差は、最終的に最適焦点位置も決定する。
多層膜は多層膜自体の内部で回折した光の位相シフトによる像シフトも引き起こす。[77]これは光がマスクパターンを2度通過するため避けられない。[78]
反射を使用すると、ウェーハの露光位置はレチクルの平坦性とレチクルクランプに非常に敏感になります。したがって、レチクルクランプの清浄度を維持する必要があります。局所的な傾斜におけるマスクの平坦性の小さな（ミリラジアンスケールの）偏差は、ウェーハの焦点ずれと相まって発生します。[79]さらに重要なことに、マスクの焦点ずれは大きなオーバーレイエラーを引き起こすことがわかっています。 [80] [ 81]特に、10 nmノードのメタル1レイヤー（48 nm、64 nm、70 nmピッチ、アイソレーション、および電源ラインを含む）の場合、修正不可能なパターン配置エラーは、40 nmマスクのz位置シフトに対して1 nmでした。[82]これは、以前に定義されたレイヤーに対するレイヤーのグローバルパターンシフトです。ただし、異なる場所の特徴は、たとえば、多層構造の下に埋め込まれた欠陥など、マスクの平坦性からの異なる局所的な偏差のために、異なる方法でシフトします。オーバーレイエラーに対するマスクの非平坦性の寄与は、山から谷までの厚さの変動のおよそ1/40倍であると推定できます。[83]ブランクの山谷仕様が50nmの場合、約1.25nmの画像配置誤差が発生する可能性があります。ブランクの厚さの変動は最大80nmにも及び、最大2nmの画像シフトにつながります。[83]
レチクルのオフアクシス照明は、ウェーハデフォーカスにおける非テレセントリック性の原因でもあり、100nmピッチのような緩い設計ルールであっても、 NXE:3400 EUVスキャナ[84]の1.4nmオーバーレイバジェットのほとんどを消費します。 [85] 24nmラインの最悪の修正不可能なパターン配置誤差は、隣接する72nmパワーラインに対して、単一のスリット位置での80nmウェーハフォーカス位置シフトあたり約1.1nmでした。スリットを横切る性能も含めると、最悪の誤差はウェーハの焦点ずれウィンドウで1.5nmを超える[82]。 2017年には、0.2/0.9クエーサー45照明を備えた0.33 NA EUVリソグラフィーシステムを模倣した化学顕微鏡で、80nmピッチのコンタクトアレイは水平基準線に対して-0.6～1.0nmシフトし、56nmピッチのコンタクトアレイは-1.7～1.0nmシフトすることが示され、±50nmの焦点ずれウィンドウ内でした[86] 。
ウェーハの焦点ずれは、局所的なマスクの平坦性からの偏差による画像配置エラーにもつながります。局所的な傾斜が角度αで示される場合、画像は4倍投影ツールで8α × (DOF/2) = 4α DOFだけシフトして投影されます。ここで、DOFは焦点深度です。[87]焦点深度が100 nmの場合、平坦性からの2.5 mrad (0.14°)の小さな局所偏差は、1 nmのパターンシフトにつながる可能性があります。
シミュレーションと実験により、EUVリソグラフィーにおける瞳の不均衡がピッチに依存するパターン配置誤差を引き起こす可能性があることが示されています。[88] [89]瞳の不均衡はEUVコレクターミラーの経年劣化や汚染によって変化するため、このような配置誤差は時間の経過とともに安定しない可能性があります。この状況は、複数のピッチが同時に重要な要件を持つロジックデバイスでは特に困難です。 [ 90]この問題は、理想的には、調整された照明による複数の露光によって解決されます。[91]
スリット位置依存性
照明の方向もスリットの位置に大きく依存し、基本的に方位角方向に回転します。[95] [96] [43] [97] [98] [99] Nanya Technology と Synopsys は、水平バイアスと垂直バイアスがダイポール照明によってスリット全体で変化することを発見しました。[100]回転する入射面 (方位範囲 -25° ～ 25°) は、CXRO の SHARP アクチニックレビュー顕微鏡で確認されています。この顕微鏡は、EUV 投影リソグラフィーシステムの光学系を模倣しています。[101]この理由は、まっすぐな長方形のフィールドを円弧状のフィールドに変換するためにミラーが使用されるためです。[102] [103]固定された入射面を維持するために、前のミラーからの反射は、異なるスリット位置の表面に対して異なる角度からのものとなり、これにより反射率の不均一性が発生します。均一性を維持するために、回転する入射面による回転対称性が使用されます。[104]より一般的には、いわゆる「リングフィールド」システムは、軸外環状部から得られる円弧状フィールドの回転対称性を利用することで収差を低減します。[105]反射システムは軸外経路を使用する必要があり、これが収差を悪化させるため、これが好ましい方法です。したがって、円弧状スリットの異なる半分内の同一のダイパターンには、異なるOPC が必要になります。これにより、それらはもはや真に同一のダイではなくなるため、ダイ対ダイの比較では検査できなくなります。双極子、四極子、または六極子照明を必要とするピッチの場合、回転によって、異なるスリット位置、つまりエッジ対中央での同じパターンレイアウトとの不一致も発生します。環状または円形照明の場合でも、回転対称性は、前述の角度に依存する多層反射率によって破壊されます。0.33 NA スキャナでは方位角範囲は約 ±20° [106]（フィールドデータでは 18° を超えることが示されています[107] ）ですが、7 nm 設計ルール（36～40 nm ピッチ）では、照明の許容範囲は ±15° [108] [109]またはそれ以下になることもあります。[110] [111] [112]環状照明の不均一性と非対称性も、イメージングに大きな影響を与えます。[113]新しいシステムでは、方位角範囲は最大 ±30° になります。[114] 0.33 NA システムでは、30 nm ピッチ以下ですでに瞳孔充填量が十分に減少し、スループットに大きな影響を与えています。0.55 NA システムでは、20 nm ピッチで 20 nm の焦点ずれに対応するために、許容される瞳孔充填量のほとんどが除去されます。[115]
スリットを横切るピッチ依存型双極子照明の入射角が大きいことは、水平線の影にそれほど影響しませんが、垂直線の影は中心から端に向かって増加します。[116]さらに、NAが高いシステムは狭いピッチをターゲットにするため、影の軽減が限られる可能性があります。[116]
スリット位置依存性は、DRAMで見られる傾斜パターンでは特に難しい。[98]影や瞳孔回転によるより複雑な効果に加えて、傾斜エッジは階段状に変換され、OPCによって歪む可能性がある。実際、EUVによる32 nmピッチDRAMは、少なくとも9 F 2セル領域まで長くなる。ここで、Fはアクティブ領域のハーフピッチである（従来は6 F 2であった）。[100] 2次元自己整合ダブルパターニングアクティブ領域カットでは、セル領域はさらに低く、8.9 F 2である。[117]
収差は、光学面の原子レベル（<0.1 nm）の仕様からの偏差[118]や熱変形[119] [120]から生じ、偏光反射効果[121]も含まれる可能性があり、スリットの位置[122] [120]にも依存します。これについては、ソースマスク最適化（SMO）に関して以下でさらに説明します。熱誘起収差は、スリットの異なる位置（異なるフィールド位置に対応）間で差を示すことが予想されます。これは、各位置が変形したミラーの異なる部分に遭遇するためです。[123]皮肉なことに、熱的および機械的に高い安定性を持つ基板材料を使用すると、波面誤差を補正することがより困難になります[124]
回転した入射面は、波長範囲と相まって、EUVイメージングに対するすでに深刻な確率的影響をさらに悪化させます。[125]
波長帯域幅（色収差）
エキシマレーザーをベースとした深紫外線（DUV）リソグラフィー光源とは異なり、EUVプラズマ光源は、約13.5nm（50%出力で13.36nm～13.65nm）付近の2% FWHM帯域幅にわたる広範囲の波長[126]にわたって光を生成します。EUV（10～121nm）は、X線（0.1～10nm）よりも長く、水素ライマンアルファ線よりも短い帯域です。
EUVスペクトルは完全に単色ではなく、DUVレーザー光源ほどスペクトル的に純粋でもありませんが、動作波長は一般に13.5 nmとされています。実際には、反射電力は主に13.3〜13.7 nmの範囲に分布しています。[127] EUVリソグラフィーに使用される多層ミラーによって反射されるEUV光の帯域幅は+/-2%以上（> 270 pm）です。[128]特定の照明角度での波長変化による位相変化を計算し、 [129] 収差予算と比較することができます。[130]反射率の波長依存性[129] [127]は、アポダイゼーション、つまり瞳孔全体の照明分布（異なる角度の場合）にも影響します。異なる波長は、マスクの多層膜によって異なる方法で反射されるため、事実上異なる照明を「見る」ことになります。[131] [127]この有効な光源照明の傾きは、焦点外れによる大きな画像シフトにつながる可能性があります。[132]逆に、ピーク反射波長は、入射角の違いにより瞳孔全体で変化する。[127] [133]この現象は、角度が広い半径に及ぶ場合、例えば環状照明の場合に悪化する。ピーク反射波長は、入射角が小さいほど長くなる。[134]非周期的多層膜は、反射率を低下させることで感度を下げることが提案されているが、層厚制御の不正確さや相互拡散などによる層厚のランダムな変動に対して敏感すぎる。[135]
帯域幅が狭くなると、1nmスケールのマスク吸収体とバッファの厚さに対する感度が高まります。[136]
フレア
フレアとは、光によって解像されない表面特徴からの散乱から生じる背景光の存在である。EUVシステムでは、この光はEUVまたはEUV光源によって生成される帯域外（OoB）光である可能性がある。OoB光は、EUV露光で説明される以外の方法でレジスト露光に影響を与えるという複雑さを追加する。OoB光露光は、レジスト上にコーティングされた層、およびEUVマスク上の「ブラックボーダー」特徴によって軽減される可能性がある。[137]しかし、層コーティングは必然的にEUV光を吸収し、ブラックボーダーはEUVマスク処理コストを増加させる。
ライン先端効果
EUV の重要な課題は、ハーフピッチ (hp) が縮小されるにつれて、ラインの先端から先端までの (T2T) 距離が逆スケーリングされる動作である。[110]これは、EUV リソグラフィで使用されるバイナリマスクの画像コントラストが低いことが一因であり、液浸リソグラフィで位相シフトマスクを使用する場合には発生しない。[138] [139]ライン端の角が丸くなると、ライン端が短くなり[140]、バイナリマスクの場合はさらに悪くなる。[141] EUV リソグラフィでの位相シフトマスクの使用は研究されてきたが、薄層での位相制御[142]や EUV 光自体の帯域幅による問題に直面している。[143]より従来的には、角の丸みとライン端の短縮に対処するために光近接効果補正(OPC) が使用されている。それにもかかわらず、チップ間の解像度とラインチップの印刷可能性は互いにトレードオフの関係にあり、実質的に反対極性のCDであることが示されています。[144]
一方向金属層では、チップ間の間隔は単一露光パターニングにとってより深刻な問題の 1 つです。40 nm ピッチの垂直線の場合、18 nm の公称チップ間描画ギャップは、OPC を使用した場合の実際のチップ間距離 29 nm になりましたが、[110] 32 nm ピッチの水平線の場合、14 nm の公称ギャップでのチップ間距離は、OPC を使用した場合 31 nm になりました。[145]これらの実際のチップ間距離は、チップに垂直な方向に走る金属のハーフピッチの下限を定義します。この場合、下限は約 30 nm です。照明をさらに最適化すると (ソースマスクの最適化のセクションで説明)、下限は約 25 nm までさらに減らすことができます。[146]
従来の照明が使用できるより大きなピッチの場合、ラインの先端から先端までの距離は一般的に大きくなります。24 nmハーフピッチラインの場合、公称描画ギャップは20 nmで、実際の距離は45 nmでしたが、32 nmハーフピッチラインの場合、同じ公称ギャップで先端から先端までの距離は34 nmになりました。[145] OPCを使用すると、これらは24 nmハーフピッチと32 nmハーフピッチでそれぞれ39 nmと28 nmになります。[147]
EUVパターニングの強化の機会
アシスト機能
アシストフィーチャは、異なるスリット位置で、異なる照明角度による非テレセントリック性からの非対称性のバランスをとるためによく使用されます。これは、7 nm ノードから始まります[148] [149]。ここで、ピッチは、波長約 13.5 nm および NA=0.33 に対して約 41 nm で、k1 は約 0.5 に相当します。[150]ただし、アシストフィーチャは主に最高空間周波数を高めるため、非対称性は軽減されますが、排除されるわけではありません。一方、フィーチャのフォーカスと位置にも影響する中間空間周波数はあまり影響を受けません。プライマリイメージとセルフイメージの間の結合は、アシストフィーチャによって非対称性を排除するには強すぎます。非対称照明のみがこれを実現できます。[71]アシストフィーチャは、電源/グランドレールへのアクセスの邪魔になることもあります。電源レールは幅が広くなることが予想され、これによりローカルピッチが制限されるため、アシストフィーチャの使用効果も制限されます。最小ピッチの1倍から2倍の間のローカルピッチでは、ローカルピッチの対称性を維持する余地がまったくないため、アシストフィーチャを配置できません。実際、2バー非対称ケースへの適用では、最適なアシストフィーチャの配置は、2バーピッチよりも小さいかそれを超える可能性があります。[149]最適化するパラメータ（プロセスウィンドウ領域、焦点深度、露光ラチチュード）に応じて、最適なアシストフィーチャの構成は非常に異なる場合があります。たとえば、アシストフィーチャとバー間のピッチが2バーピッチと異なる、対称または非対称などです。
58nm未満のピッチでは、補助フィーチャの配置による焦点深度の強化とコントラストの低下との間にトレードオフがあります。[149]一般的に、補助フィーチャが誤って印刷されないようにする必要があるため、線量ウィンドウが制限されるため、焦点と露光量のトレードオフは依然として存在します。
ショットノイズからもさらなる懸念が生じます。[151]サブ解像度アシストフィーチャ（SRAF）では、アシストフィーチャが誤って印刷されないように、必要な線量が低くなります。[152]これにより、より小さなフィーチャを定義する光子が少なくなります（ショットノイズのセクションの説明を参照）。
SRAFは主要な特徴よりも小さい特徴であり、印刷するのに十分な線量を受けることが想定されていないため、印刷エラーを引き起こす確率的な線量変動の影響を受けやすくなります。これは、位相シフトマスクを使用する必要があるEUVでは特に問題になります。[153]
ソースマスクの最適化
非テレセントリック性の影響により、ディスクや環状などの標準的な照明瞳孔形状は、約 20 nm 以下（10 nm ノード以上）の特徴サイズに使用するには不十分です。[85]代わりに、瞳孔の特定の部分（多くの場合 50% 以上）を非対称に除外する必要があります。除外する部分はパターンによって異なります。特に、許容される最も密な線は 1 つの方向に沿って整列する必要があり、双極子の形状が望ましいです。この状況では、X 方向と Y 方向の両方のパターンが存在し、それぞれに独自の 1D パターン マスクと双極子方向が必要であるため、2D パターンには二重露光リソグラフィーが必要になります。[154] [155]照明点は 200～400 個ある場合があり、それぞれが線量の重みを寄与して、全体的なスルー フォーカスの画像のバランスをとります。したがって、ショット ノイズ効果（後述）は、多数の特徴において、スルー フォーカスの画像位置に重大な影響を及ぼします。
パターンが、ピッチ、方向、形状、サイズが異なるために大幅に異なる最適化された照明を必要とするサブパターンで構成されている場合も、二重または多重のパターン化が必要になります。
スリットの位置と収差の影響
主にスリットの形状[106]と残留収差の存在[156]により、 SMOの有効性はスリット位置によって異なります。[157]各スリット位置では、異なる収差[122]と異なる入射方位角があり、異なる影になります。 [43]その結果、収差に敏感なフィーチャではスリット全体で補正されていない変動が発生する可能性がありますが、これは通常のラインスペースパターンでは明らかに確認できない場合があります。[149]各スリット位置では、上記の補助フィーチャを含む光近接効果補正（OPC）も収差に対処するために適用できますが、[158] [159]照明仕様にもフィードバックされます。[160] [157] [161] [162]照明条件によって利点が異なるためです。[158]これには、各スリット位置で異なる光源マスクの組み合わせ、つまりレイヤーごとに複数のマスク露光を使用する必要がある。[122] [163]
前述の色収差は、マスク誘起アポダイゼーションによるもので、[131]異なる波長に対する光源マスクの最適化の不一致にもつながります。
ピッチ依存のフォーカスウィンドウ
与えられた特徴サイズに対する最適焦点は、与えられた照明下でのピッチ、極性、および方向に強く依存して変化する。[164] 36 nm ピッチでは、水平および垂直暗視野特徴の焦点の差は 30 nm 以上になる。特徴の種類に関係なく、34 nm ピッチと 48 nm ピッチの特徴は最適焦点の差が最も大きい。48～64 nm ピッチの範囲では、最適焦点位置はピッチの関数としてほぼ直線的にシフトし、その差は 10～20 nm にもなる。[165] 34～48 nm ピッチの範囲では、最適焦点位置はピッチの関数としてほぼ直線的に反対方向にシフトする。これは、ゼロ次回折と一次回折の位相差と相関している可能性がある。[166]補助特徴がピッチ内に収まる場合、中間ピッチの範囲ではこの傾向はあまり軽減されないことがわかった。 [167]また、18～27 nm およびクエーサー照明の場合は、傾向がさらに悪化することさえある。[168] 100 nmおよび150ピッチの50 nmコンタクトホールでは、ベストフォーカス位置の間隔が約25 nmでした。より小さなフィーチャーではさらに悪くなることが予想されます。[169] 48～100 nmピッチの範囲のコンタクトホールでは、ベストフォーカス範囲が37 nmでした。[170]ベストフォーカス位置とピッチの関係もレジストに依存します。[171]重要なレイヤーには、暗視野トレンチなど、ある極性の最小ピッチのラインが、ある方向（垂直など）に、他の極性のスペースと混在していることがよくあります。これにより、ベストフォーカスの差が拡大されることが多く、チップツーチップおよびチップツーラインのイメージングが困難になります。[172]
瞳孔充満の減少
SMOとフォーカスウィンドウの移動の結果、瞳孔充填率が低下しました。言い換えれば、最適な照明とは、考慮すべきさまざまなパターンに適した照明の最適な重なりです。これにより、瞳孔充填率が低下し、より良い結果が得られます。ただし、吸収のため、瞳孔充填率が20%未満になるとスループットが影響を受けます。[173] [174] [54]
位相シフトマスク
EUV のよく言われる利点は、リソグラフィーが比較的容易なことである。これは、特徴サイズと波長の比に開口数を乗じた値、つまり k1 比で示される。例えば、18 nm の金属線幅の k1 は、波長 13.5 nm、NA 0.33 の場合に 0.44 である。k1 が 0.5 に近づくため、ArF レーザー波長(193 nm) では、減衰位相シフトマスクなどの弱い解像度向上が不可欠であるとして製造に使用されてきたが、[175] [176] [177] [178] [179] [180]、この解像度向上は EUV では利用できない。[181] [182] [183] 特に、吸収体の端での散乱などの 3D マスク効果により、目的の位相プロファイルが歪む。[182]また、位相プロファイルは、入射平面波ではなく、吸収体を介して多層膜から反射された平面波スペクトルから効果的に導出される。[184]吸収体がない場合、斜め入射照明によりエッチングされた多層膜側壁でも近接場歪みが発生します。 [185]一部の光は側壁近くの限られた数の二重層のみを通過します。[68]さらに、異なる偏光（TEとTM）には異なる位相シフトがあります。[68]基本的に、クロムレス位相シフトマスクはマスク上のゼロ次回折光を抑制することでピッチ分割を可能にしますが、EUV用の高品質位相シフトマスクを製造することは決して簡単な作業ではありません。これを実現する1つの方法は、マスクパターンのフーリエ面で空間フィルタリングを行うことです。ローレンスバークレー国立研究所では、ゼロ次の光は中央で遮蔽されたシステムであり、+/-1の回折次数はクリアアパーチャによって捕捉され、従来のバイナリ振幅マスクを使用しながらクロムレス位相シフトマスクと同等の機能を提供します。[186]
EUVフォトレジスト露光：電子の役割
EUV 光は物質に吸収されると光電子を生成します。これらの光電子は次に二次電子を生成し、化学反応を起こす前に減速します。[187]十分な線量であれば、40 eV の電子は 180 nm 厚のレジストを貫通して現像に至ることが知られています。[188] 160 μC/cm 2の線量では、1 電子/光子と仮定すると 15 mJ/cm 2 のEUV 線量に相当し、標準的な現像後、30 eV の電子で 7 nm の PMMA レジストが除去されました。[189] 380 μC/cm 2のより高い 30 eV 線量では、1 電子/光子で 36 mJ/cm 2に相当し、10.4 nm の PMMA レジストが除去されます。[190]これらは、方向に関係なく、電子がレジスト内を移動できる距離を示しています。[191]
EUVフォトレジストの下層からの光電子放出の程度は、焦点深度に影響を与えることが示されています。[192]残念ながら、ハードマスク層は光電子放出を増加させる傾向があり、焦点深度を低下させます。レジスト内の焦点が合っていない画像からの電子も、最適な焦点画像に影響を与える可能性があります。[193]
二次電子の数のランダム性は、それ自体がEUVレジスト画像における確率的挙動の原因である。電子ぼかしのスケール長自体には分布がある。[194] Intelは厳密なシミュレーションにより、EUVから放出された電子がEUVレジスト内で15nmを超える距離を散乱することを実証した。[195]
電子ぼかしはレジスト膜上面からの全反射によっても影響を受ける。[196] [197]
下層レイヤーの効果
レジストの下の層からの二次電子は、レジストプロファイルやパターンの崩壊に影響を与える可能性がある。[198]したがって、下層とその下の層の両方の選択は、EUVリソグラフィーにとって重要な考慮事項である。さらに、焦点が合っていない画像からの電子は、画像の確率的性質を悪化させる可能性がある。[199]
汚染の影響
ガス放出を防ぐ
フォトレジストによるEUVの吸収効率が高いため、加熱とガス放出が主な懸念事項となる。よく知られている問題の1つは、EUVまたは電子駆動反応によって生じる周囲またはガス放出された炭化水素によるレジストへの汚染堆積である。[200]有機フォトレジストは炭化水素を放出するが[201]、金属酸化物フォトレジストは水と酸素[202]および金属（水素雰囲気中）を放出する。金属は洗浄不可能である。[52]炭素汚染は多層反射率に影響を与えることが知られている[203]一方、酸素はEUV多層光学系上のルテニウムキャッピング層（EUVおよび水素条件下では比較的安定）に特に有害である。[204]
スズの再沈着
ツールチャンバー内の原子状水素は、EUV光学表面に堆積したスズと炭素を洗浄するために使用されます。 [205]原子状水素は、EUV光がH2を直接光イオン化することによって生成されます。[206]
- hν + H 2 → H + + H + e − .
上記の反応で生成された電子はH2を解離して水素原子を形成することもある： [ 206]
- e − + H 2 → H + + H + 2e − .
光源中のスズ（例えば光源の光学表面上のスズ）との反応により揮発性のSnH 4（スタンナン）が形成され、光源から排出される反応は[205]
- Sn(s) + 4 H(g) → SnH 4 (g)。
SnH4は他のEUV光学表面のコーティングに到達し、反応を介してSnを再堆積させる可能性がある[205]
- SnH 4 → Sn(s) + 2 H 2 (g)。
再沈着は他の中間反応によっても起こる可能性がある。[207]
再沈着したSn [51] [52]は、その後、原子水素への曝露によって除去される可能性がある。しかし、全体として、スズの洗浄効率（スズサンプルから除去されたスズフラックスとスズサンプルへの原子水素フラックスの比）は、再沈着と水素脱着の両方により、原子水素を犠牲にして水素分子が形成されるため、0.01％未満である。[205]スズ酸化物のスズ洗浄効率は、スズ（その上に約2nmの自然酸化物層がある）の約2倍であることがわかっている。[205]光源に少量の酸素を注入すると、スズの洗浄速度が向上する可能性がある。
水素水膨れ
水素は金属含有化合物と反応して金属に還元し[208] 、多層膜中のシリコン[209]やモリブデン[210]に拡散して最終的にブリスターを引き起こします。 [211] [212] [213]水素関連の損傷を軽減するキャッピング層は、反射率を 70% を大きく下回るまで低下させることがよくあります。[212]キャッピング層は、酸素[214]や水素[215] [216] [217] [218]などの周囲のガスを透過することが知られています。また、水素誘発性のブリスター欠陥の影響を受けやすいことも知られています。[219] [211]水素はキャッピング層と反応して除去される可能性もあります。 [ 220] TSMC は、生産性に影響を与える可能性のある EUV マスクの水素ブリスター欠陥を軽減するいくつかの方法を提案しました。[221]
スズ吐き
水素は溶融スズ (Sn) に浸透し、内部に水素の泡を生成します。泡が溶融スズの表面で移動すると、スズとともに破裂し、スズが広い角度範囲に広がります。この現象はスズスピッティングと呼ばれ、EUV コレクターの汚染源の 1 つです。
侵食に抵抗する
水素はレジストと反応してレジストをエッチングする[222] [223]または分解する[224]。フォトレジスト以外にも、水素プラズマはシリコンをエッチングすることができるが、非常に遅い。[225] [非一次ソースが必要]
膜
上記の影響を軽減するために、2017年に導入された最新のEUVツールであるNXE:3400Bには、ウェーハをツールの投影光学系から分離する膜が搭載されており、ウェーハ上のレジストからのガス放出から投影光学系を保護しています。[54]膜にはDUVとIR放射を吸収する層が含まれており、入射するEUV放射の85～90%を透過します。もちろん、ウェーハからのガス放出や一般的な粒子による汚染が蓄積されます（粒子は焦点が合っていませんが、光を遮ることがあります）。
EUV誘起プラズマ
EUV光を使用するEUVリソグラフィーシステムは、1～10 Paの水素バックグラウンドガス中で動作します。[226 ] プラズマは、VUV放射[227]だけでなく、電子と水素イオン[228]の発生源でもあります。このプラズマは、露出した材料をエッチングすることが知られています。[228] [229]
2023年には、TSMCの支援を受けた研究が発表され、プラズマからの電子と電子放出による正味の充電が示された。[230]充電はEUV露光領域の外側でも発生することが判明し、周囲の領域が電子にさらされていたことを示している。
水素プラズマによる炭素の化学的スパッタリングにより[231]ナノ粒子が生成され、[232] EUVレジストの露光を妨げる可能性がある。[233] [234]
マスクの欠陥
極端紫外線（EUV）マスクの欠陥を減らすことは、現在、EUVリソグラフィーの商業化に取り組むべき最も重要な課題の1つです。[235]欠陥は、多層スタックの下または内部に埋め込まれている場合もあれば[236]、多層スタックの上にある場合もあります。多層堆積に使用されるスパッタリングターゲットにはメサまたは突起が形成され、多層堆積中に粒子として剥がれ落ちる可能性があります。[237]実際、原子スケールの高さ（0.3～0.5 nm）でFWHMが100 nmの欠陥は、10％のCDインパクトを示すことで印刷可能です。[238] IBMとToppanは、Photomask Japan 2015で、たとえば50 nmサイズのより小さな欠陥は、高さが0.6 nmであっても10％のCDインパクトを示し、検出されないままであると報告しました。[239]
さらに、位相欠陥のエッジは、表面に対する目標入射角 84 度からの偏差により、平坦度からの偏差が 3 度を超えると反射率がさらに 10% 以上低下します。欠陥の高さが浅い場合でも、エッジは上部の多層膜を変形させ、多層膜が傾斜する拡張領域を生成します。変形が急激であるほど、欠陥エッジの拡張が狭くなり、反射率の損失が大きくなります。
EUVマスクの欠陥修復も、前述のスリットを横切る照明の変動により複雑化します。スリットを横切る影の感度が変化するため、修復堆積の高さはEUVマスクの照明スリットを横切る位置によって異なるため、非常に慎重に制御する必要があります。[240]
多層反射率のランダム変動
GlobalFoundriesとローレンス・バークレー研究所は、EUVマスクからのEUV光を反射するために使用される多層膜におけるモリブデン（Mo）層とシリコン（Si）層の混合の影響をシミュレートするモンテカルロ研究を実施した。[241]結果は、層の厚さの原子スケールの変動に対する高い感度を示した。このような変動は、広域反射率測定では検出できないが、臨界寸法（CD）のスケールでは重要となる。[241]反射率の局所的な変動は、数nmの標準偏差で10％程度になる可能性がある。[242]
多層損傷
10mJ/ cm2未満の複数のEUVパルスは、RuキャップMo/Si多層ミラー光学素子に損傷を蓄積する可能性があります。[243]入射角は16°または0.28radであり、これは0.33NA光学系の角度範囲内です。
ペリクル
生産用EUVツールには、マスクを汚染から保護するためのペリクルが必要です。ペリクルは通常、露光チャンバーへの出入り時、および露光自体の輸送中にマスクを粒子から保護することが期待されています。ペリクルがなければ、粒子の追加により歩留まりが低下しますが、これは193 nmの光とペリクルを使用した従来の光リソグラフィーでは問題になりませんでした。しかし、EUVの場合、過度のEUV吸収を防ぐためにシールドフィルムを薄くする必要があるため、ペリクルの使用の実現可能性は大きく異なります。ペリクルが200 W、つまり製造の目標電力を超えて安定していないと、粒子汚染は禁止されるでしょう。[244]
EUVマスクペリクルの加熱（入射電力80Wで膜温度が最大750K）は、変形や透過率の低下を引き起こすため、大きな懸念事項である。[245] ASMLは、EUV透過率82%を可能にする70nm厚のポリシリコンペリクル膜を開発したが、予想されるEUV電力レベルに耐えた膜は半分以下であった。[246] SiNxペリクル膜も、82W相当のEUV光源電力レベルで故障した。[247]目標の250Wレベルでは、ペリクルは686℃に達すると予想され、[248]アルミニウムの融点をはるかに超える。代替材料は、十分な透過性を可能にするとともに、機械的および熱的安定性を維持する必要がある。しかし、グラファイト、グラフェン、またはその他の炭素ナノ材料（ナノシート、ナノチューブ）は、電子の放出によりEUVによって損傷を受け[249]、EUVスキャナーに導入される予定の水素洗浄プラズマで簡単にエッチングされてしまう。[250]水素プラズマはシリコンもエッチングすることができる。[251] [252]コーティングは水素耐性を向上させるのに役立つが、透過率や放射率を低下させ、機械的安定性（例えば、膨らみ）にも影響を与える可能性がある。[253]
ペリクルのしわは吸収の不均一性によりCDの不均一性を引き起こす可能性があります。これは、しわが小さく、照明がコヒーレントである場合、つまり瞳孔充填率が低い場合にさらに悪化します。[254]
ペリクルがない場合、実際の製品ウェーハを露光する前に、欠陥検査用に特別に準備されたウェーハを使用して、EUVマスクの清浄度をチェックする必要がある。[255]これらのウェーハは、印刷後に、マスクの汚れを示す繰り返し欠陥がないか検査される。欠陥が見つかった場合は、マスクを洗浄し、別の検査ウェーハセットを露光して、マスクがきれいになるまでフローを繰り返す必要がある。影響を受けた製品ウェーハはすべて再加工する必要がある。
TSMCは2019年に自社製ペリクルの限定的な使用を開始し、その後も拡大を続けていると報告しており[256]、サムスンは2022年にペリクルの導入を計画している。[257]
水素膨張欠陥
前述のように、汚染除去に関して、最近のEUVシステムで使用される水素はEUVマスク層に浸透する可能性があります。TSMCは、水素がマスクの端から侵入することを特許で示しました。[258]一度閉じ込められると、膨らみ欠陥またはブリスターが発生し、[219]膜の剥離につながる可能性があります。[258]これらは基本的に、水素環境でのEUVマスクの十分な回数の露出後に発生するブリスター欠陥です。TSMCは、生産性に影響を与える可能性のあるEUVマスクの水素ブリスター欠陥を軽減するためのいくつかの手段を提案しました。[221]
EUV確率論的問題
EUVリソグラフィーは、確率的効果に特に敏感である。[259] [260] EUVで印刷されたフィーチャの大部分は解決されるが、一部は印刷に完全に失敗し、たとえば穴が欠けたり、ラインがブリッジしたりしている。この効果に大きく寄与していることが知られているのは、印刷に使用される線量である。[261]これは、以下でさらに説明するショットノイズに関連している。到着する光子数の確率的変動により、印刷するように指定された一部の領域は実際には印刷のしきい値に到達できず、露光されていない欠陥領域が残る。一部の領域は露光過剰になり、レジストの過剰な損失や架橋につながる可能性がある。確率的障害の確率は、フィーチャサイズが小さくなるにつれて指数関数的に増加し、同じフィーチャサイズの場合、フィーチャ間の距離が長くなると確率も大幅に増加する。[261] 不完全なラインカットは、潜在的なアーク放電やショートのために重大な問題となる。[262]歩留まりには、1e-12未満までの確率的障害の検出が必要である。[261]
確率的欠陥の傾向は、瞳孔充填量が大きい場合の焦点ずれによって悪化する。[263] [264]
同じ集団に対して複数の故障モードが存在する可能性がある。例えば、トレンチのブリッジングに加えて、トレンチを分離する線が壊れる可能性がある。[261]これは、二次電子による確率的なレジスト損失[259]に起因する可能性がある。[265] [266]二次電子の数のランダム性自体が、EUVレジスト画像における確率的動作の原因である。
確率的に露光不足と露光過剰の欠陥領域が共存すると、低線量と高線量のパターン形成クリフ間のエッチング後の特定の欠陥レベルで線量ウィンドウが失われます。[267]したがって、より短い波長による解像度の利点は失われます。
レジスト下層も重要な役割を果たしている。[261]これは下層で発生した二次電子によるものと考えられる。[268]二次電子は露出端から10nm以上のレジストを除去する可能性がある。[265] [269]
欠陥レベルは1K/ mm2程度である。[270] 2020年にサムスンは5nmレイアウトにプロセス欠陥のリスクがあると報告し、自動チェックと修正の実装を開始した。[271]
光子ショットノイズは確率的なエッジ配置誤差にもつながります。[272]光子ショットノイズは、化学増幅レジストの二次電子や酸などのぼかし要因によってある程度増大します。ぼかしが顕著になると、エッジの画像コントラストも低下します。48 nmピッチのEUV印刷金属パターンでは、最大8.8 nmのエッジ配置誤差（EPE）が測定されました。[273]
光子のランダムな到着時間と吸収時間による自然なポアソン分布では、 [274] [275]少なくとも数パーセント 3 シグマの自然線量（光子数）変動が予想され、露光プロセスが確率的変動の影響を受けやすくなります。線量変動は特徴のエッジ位置の変動につながり、事実上ぼやけた要素になります。回折によって課される厳格な解像度の制限とは異なり、ショットノイズはより柔軟な制限を課し、主なガイドラインは ITRS 線幅粗さ（LWR）仕様の線幅の 8%（3 秒）です。[276]線量を増やすとショットノイズは減少しますが、[277]これにはより高いソース電力も必要になります。
ショットノイズとEUV放出電子という2つの問題は、2つの制約要因を指摘している。1) ショットノイズを許容レベルまで下げるのに十分な線量を維持すること、2) EUV放出光電子と二次電子がレジスト露光プロセスに寄与する割合が増加するため、線量が高すぎるとエッジぼやけが増加し、解像度が制限されるため、線量が高すぎることを避けることである。解像度への影響とは別に、線量が高いとガス放出も増加し[278]、スループットが制限され、非常に高い線量レベルでは架橋[279]が発生する。化学増幅型レジストの場合、線量が高いと酸発生剤の分解によりラインエッジの粗さも増加する。[280]
同じ線量で吸収率が高くても、EUVはArF（193 nm）波長よりもショットノイズが大きいという懸念がある。これは主に、より薄いレジストに適用されるためである。[281]
確率論的考慮により、IRDS 2022リソグラフィロードマップでは、より小さな特徴サイズに対して線量の増加が認められるようになりました。[282]
EUVの解像度は確率的影響によって損なわれる可能性が高い。確率的欠陥密度は36nmピッチで1/cm 2を超えた。 [283] [284] 2024年にASMLが行ったEUVレジスト露光では、32nmピッチのコンタクトホールの欠陥密度フロアが0.25/cm 2（ウェーハあたり177個の欠陥）を超えており、レジストが薄くなるとさらに悪化することが明らかになった。[285] ASMLは、30nmピッチでは直接露光ではなくダブルパターニングを使用すると示唆した。[286] Intelは30nmピッチにEUVを使用しなかった。[287]
生徒充足率
ピッチが半波長を開口数で割った値よりも小さい場合、双極子照明が必要である。この照明は、瞳孔の端にある葉状の領域を最大限満たす。しかし、EUVマスクの3D効果により、[288]ピッチが小さいほど、この葉状の領域はさらに小さくなる。瞳孔の20%未満になると、スループットと線量の安定性が低下し始める。[54]開口数が高いほど、同じピッチでより高い瞳孔充填率を使用できるが、焦点深度が大幅に減少する。[289]
複数のパターンでの使用
EUVは、0.33 NAで約34 nmピッチでダブルパターニングを使用すると予想されています。[290] [291]この解像度は、DRAMの「1Y」に相当します。[292] [293] 2020年に、ASMLは、5 nm M0層（最小ピッチ30 nm）にダブルパターニングが必要であると報告しました。[286] 2018年後半、TSMCは、5 nm EUVスキームが依然としてマルチパターニングを使用していることを確認しました。 [ 294]また、マスク数は、広範なDUVマルチパターニングを使用した7 nmノードから、広範なEUVを使用した5 nmノードに減少していないことを示しています。[295] EDAベンダーも、マルチパターニングフローの継続的な使用を示しました。[296] [297]サムスンはEUVシングルパターニングによる独自の7nmプロセスを導入しましたが、[298]過度の線粗さを引き起こす深刻な光子ショットノイズに遭遇し、より高い線量が必要になり、スループットが低下しました。[274] TSMCの5nmノードでは、さらに厳しい設計ルールが使用されています。[299]サムスンは、寸法が小さくなるとショットノイズがさらに深刻になると示唆しました。[274]
インテルの20nmハーフピッチの補完リソグラフィー方式では、EUVは最初の193nmライン印刷露光後の2番目のラインカット露光でのみ使用されます。[300]
同じレイヤーに2つ以上のパターン（例えば、異なるピッチや幅）があり、異なる最適化された光源瞳形状を使用する必要がある場合にも、多重露光が予想されます。[301] [302] [303] [304]たとえば、64 nmの垂直ピッチのスタッガードバーアレイを考えると、水平ピッチを64 nmから90 nmに変更すると、最適化された照明が大幅に変化します。[55]ラインスペースグレーティングとチップツーチップグレーティングのみに基づくソースマスク最適化では、ロジックパターンのすべての部分（たとえば、片側にギャップがある密なトレンチ）の改善は伴いません。[301] [305]
2020年にASMLは、3nmノードでは、中心間のコンタクト/ビア間隔が40nm以下になると、一部のコンタクト/ビア配置に2重または3重のパターニングが必要になると報告した。[306]
24～36nmの金属ピッチの場合、EUVを（2回目の）切断露光として使用すると、金属層を完全に1回露光するよりもプロセスウィンドウが大幅に広くなることがわかりました。[307] [301]
ペリクルを使用しない欠陥管理では、同じマスクを複数回露光する必要があるため、多重パターニングと同様に生産性が制限される。[255]
自己整合リソエッチングリソエッチング（SALELE）は、7nmで実装が開始されたハイブリッドSADP/LELE技術です。[308] 自己整合リソエッチングリソエッチング（SALELE）は、EUVで使用されるダブルパターニングの受け入れられた形式になりました。[309]
シングルパターニング拡張：アナモルフィック高NA
より高い開口数（NA）のツールを使用すれば、シングルパターニングの拡張世代への回帰が可能になるだろう。NAが0.45の場合、数パーセントの再調整が必要になる可能性がある。[310]縮小率を大きくすればこの再調整は避けられるが、フィールドサイズの縮小は、多数のコアと数十億個のトランジスタを搭載した14nm Xeonチップなどの大きなパターン（26mm×33mmのフィールドあたり1つのダイ）に深刻な影響を与えます。[311] 2回のマスク露光のフィールドステッチングが必要になるため。
2015年、ASMLはNA0.55のアナモルフィック次世代EUVスキャナーの詳細を公開した。これらのマシンの価格はおよそ3億6000万ドルである。[33]縮小率は、1方向（入射面）でのみ4倍から8倍に増加する。[312]ただし、NA0.55では、液浸リソグラフィーよりも焦点深度がはるかに浅い。[313]また、アナモルフィック0.52 NAツールは、5nmノードの単一露光およびマルチパターニング切断ではCDと配置の変動が大きすぎることが判明している。[314]
NAの増加によって焦点深度[315]が減少することも懸念事項であり[316]、特に193nm液浸リソグラフィーを使用したマルチパターニング露光と比較するとその懸念は大きい。
高NA EUVツールは、水平線の縮小率が異なるため、低NAシステムとは水平線と垂直線の焦点を異なる方法で合わせます。[317] [318]
高NA EUVツールは遮蔽の問題も抱えており、特定のパターンの撮像にエラーを引き起こす可能性がある。[319]
最初の高NAツールは、早くても2025年までにインテルで導入される予定です。[320]
2nm以下のノードでは、高NA EUVシステムは、スループット、新しいマスク、偏光、より薄いレジスト、二次電子のぼやけとランダム性など、多くの問題の影響を受けることになります。[321]焦点深度を浅くするには、レジストの厚さを30nm未満にする必要があり、これにより光子吸収が減少するため、確率的効果が増大します。
電子ぼかしは少なくとも約2nmと推定されており、これは高NA EUVリソグラフィーの利点を阻害するのに十分である。[322] [323]
高NAを超えて、ASMLは2024年にNAが0.55を超える、例えばNAが0.75や0.85のハイパーNA EUVツールの開発計画を発表しました。[324] [325]これらのマシンは1台あたり7億2000万ドルの費用がかかり、2030年に利用可能になると予想されています。[33]ハイパーNAの問題は、EUV光の偏光により画像のコントラストが低下することです。[324] [326]
EUV波長を超えて
はるかに短い波長（約6.7 nm）はEUVを超えており、BEUV（極端紫外線を超える）と呼ばれることが多い。[327]現在の技術では、BEUV波長では十分な線量が確保されずにショットノイズの影響が悪化する。[328]
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関連リンク
- EUVは経済的課題をもたらす
- 業界は6.7nm波長のEUVを検討中