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在上一期《名家專欄》中，我們初探超寬帶極紫外光源在半導體量檢測中的應用，從先進高*芯片制造需求入手，對相干X射線衍射成像技術的原理及在半導體領域應用做了重點分享，本期將介紹基于超寬帶極紫外工藝的散射測量技術的應用情況。
人工智能、云計算等領域對先進高*芯片需求極其強烈，而先進高*芯片制造的核心步驟是光刻。目前最*進的極紫外光刻機采用13.5 nm（2%帶寬）的極紫外（Extreme ultraviolet, EUV）光，已應用于5 nm及以下工藝節(jié)點的芯片量產。在半導體生產過程中，每一道工藝都需要進行定量測量以保證工藝指標。隨著工藝節(jié)點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構發(fā)展，需要量檢測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用前景。
下面介紹基于超寬帶極紫外工藝的散射測量技術的應用。散射測量法是一種通過分析器件中光強變化進行測量的光學計量技術，該技術已廣泛應用于半導體行業(yè)中納米結構表面的晶圓計量。目前存在兩種散射測量方法：角度分辨型與光譜型散射儀。角度分辨散射測量采用單波長多角度探測方式，可同時測量零級和一級衍射信號；而光譜型系統(tǒng)則在固定入射角下工作，通過可見光或紫外波段寬譜測量僅獲取零級衍射信號。而極紫外（EUV）散射測量在固定入射角下，采用類激光多波長測量非零級衍射光強。極紫外短波長特性可激發(fā)納米光柵特征的多級衍射，相較于零級衍射光束，這些充分分離的高階衍射光束蘊含更豐富的結構信息。
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，晶體管級三維集成技術開始受到廣泛的關注。從早期的平面MOSFET到三維結構的FinFET，F(xiàn)inFET以其三維鰭狀結構有效提高了柵極對電流的控制能力，降低了漏電流并增強了開關速度。然而，隨著節(jié)點的演進和進一步的微縮，環(huán)繞柵極器件 (gate all around, GAA)技術應運而生[doi: 10.1109/IEDM.2018.8614629]。
圖1、先進邏輯晶體管的技術演進
在GAA技術中，溝道被柵極四面包裹，這種圍柵設計進一步增強了對電流的控制，顯著減少了短溝道效應，因而能夠適應更小的制程節(jié)點。但是，GAA的3D幾何形狀帶來了新的半導體測量挑戰(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關鍵且需精確計時的橫向刻蝕步驟來確定溝道長度：硅鍺凹槽刻蝕、內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 波長的極紫外散射測量法提供了一種很有前途的下一代測量技術，適用于3D輪廓測量和套刻(overlay, OVL) 應用。與目前現(xiàn)有的測量技術相比，這種波長的解決方案具有獨*的優(yōu)勢：(1) 短波長允許比傳統(tǒng)可見波長提供的分辨率更高的測量，從而能夠測量器件間距。(2)以單次散射為主的信號在參數(shù)之間具有低相關性，這有助于信號的物理解釋，使得許多感興趣的參數(shù)能夠被準確地同時提取。(3)該波段提供3D測量功能，支持高達400 nm的穿透深度。這些特性使其適合測量高*芯片器件的3D輪廓。
該方法使用基于10-20 nm波長相干光的散射測量概念，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]。類激光的HHG EUV源聚焦照明到晶圓上，通過探測器收集衍射光。由于寬帶光源，周期性結構會產生具有空間分離的不同波長衍射級，如圖2中的彩虹所示[Proceedings of SPIE, 2023, 12496: 124961I]。基于高次諧波極紫外光源，科研人員可以在埋藏的100-400 nm厚的GAA 3D結構上實現(xiàn)散射測量。
圖2、用于晶圓檢測的極紫外/軟X射線散射測量工具概念和遠場檢測示意圖。
圖3、晶圓GAA 3D結構散射測量。(a) 測量的英特爾GAA晶圓的示意圖：8個晶圓的平均凹槽蝕刻因蝕刻時間而異。(b) 從 GAA 測量的衍射圖案。 (c) 基于具有不同凹槽蝕刻時間的8個晶圓的數(shù)據(jù)驅動推理結果。
如圖3所示，通過對標稱刻蝕時間進行數(shù)據(jù)驅動訓練，可以觀察到對該凹槽刻蝕深度的檢測靈敏度。圖3(c)中的標記形狀表示各測量目標點在晶圓上的徑向位置。可以發(fā)現(xiàn)，就平均而言，邊緣測量點與設定值的偏差最大，而中間半徑位置測量點的偏差最小，這與刻蝕工藝的徑向特征預期完*吻合。
從上述例子可見，高次諧波過程產生的極紫外光源由于具有寬光譜、高亮度等特性，在量檢測方面具有獨*的優(yōu)勢。在其帶寬范圍內，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地位。這導致描述建模疊層結構的幾何參數(shù)之間普遍存在強去相關性，即使在需要20多個參數(shù)來表征器件結構的復雜應用場景中亦是如此。這種去相關性是極紫外/軟X射線輪廓計量技術的關鍵優(yōu)勢，因為它能夠推斷出比可見光計量多得多的參數(shù)。其多波長的寬帶光譜可以進一步提高關鍵尺寸（CD）測量，套刻測量以及復雜的三維晶體管結構的測量精度，對于新的半導體工藝發(fā)展至關重要。
而且，基于極紫外光（EUV）的納米結構計量技術正日益成為科學與技術領域的研究熱點。極紫外短波長特性使其對微小尺度結構、元素組成以及電子磁序具有*高探測靈敏度。
人物介紹
曾志男，上海光機所研究員，其團隊長期從事高次諧波（HHG）和阿秒超快方面研究，參與建設上海*強超短激光裝置（SULF）等，發(fā)表 SCI 論文 80 余篇，編撰專著《阿秒激光技術》，先后獲得基金委“優(yōu)秀青年基金"和國家科技創(chuàng)新領*人才的資助。
