Contact edge roughness in euv lithography: metrology and process evaluation

Abstract

Τα αυξημένα στοχαστικά φαινόμενα στις νανοκατασκευαστικές διεργασίες έχουν ως αποτέλεσμα αποκλίσεις των νανοδομών από το προβλεπόμενο σχήμα τους στο σχέδιο και την ομοιομορφία των διαστάσεών τους. Στην από πάνω προς το κάτω προσέγγιση της νανοτεχνολογίας (λιθογραφικές τεχνικές) τα φαινόμενα αυτά εκδηλώνονται κυρίως στην πλευρική τραχύτητα και στη διασπορά των διαστάσεών των νανοδομών. Ιδιαίτερα στη λιθογραφία της ακραία υπεριώδους ακτινοβολίας (Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL) τα δύο αυτά προβλήματα είναι έντονα και αποτελούν δύο από τα θέματα που πρέπει να διευθετηθούν για να χρησιμοποιηθεί η EUVL στη γραμμή παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με μικρότερη διάσταση <20nm τα επόμενα χρόνια. Για να γίνει αυτό, ωστόσο, απαιτείται η ανάπτυξη εργαλείων μετρολογίας και προτυποποίησης για την καλύτερη αξιολόγηγη και κατανόηση των διεργασίων και υλικών που εμπλέκονται σε αυτή.

Σε αυτή τη διατριβή αναπτύξαμε και εφαρμόσαμε μεθοδολογίες για τη μετρολογία και την προτυποποίηση της τραχύτητας και της ανομοιομορφίας της διάστασης οπών επαφής. Οι οπές επαφής που εξετάσαμε έχουν κατασκευαστεί με EUVL και θα χρησιμοποιηθούν στα ηλεκτρόδια των τρανζίστορ νέας γενιάς. Η μετρολογική προσέγγισή μας βασίζεται στην ανάλυση εικόνων κάτοψης μικροσκοπίου σάρωσης ηλεκτρονικής δέσμης ενώ η προτυποποίηση στοχεύει να συμπεριλάβει τα φαινόμενα του θορύβου πρόσπτωσης των φωτονίων (ΡSN), τη διάχυση των παραγόμενων οξέων και τις παραμέτρους σχεδιασμού των οπών (διάμετρος και μεταξύ τους απόσταση).

Στη συνέχεια, εφαρμόσαμε αυτά τα εργαλεία στην ανάλυση και ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων που αφορούν την επίδραση της δόσης ακτινοβολίας του φωτοπολυμερούς και των πρόσθετων συστατικών του (φωτοπαραγωγικού οξέος (PhotoAcid Generator, PAG) και ευαισθητοποιητή) στην πλευρική τραχύτητα των οπών και στη διασπορά των διαστάσεών τους. Βρήκαμε ότι οι εξαρτήσεις της διασποράς των διαστάσεων των οπών από τη δόση και τον ευαισθητοποιητή κυριαρχούνται από τα φαινόμενα PSN ενώ όταν αυξάνεται η συγκέντρωση των μορίων του PAG παρατηρούμε μετάβαση από την περιοχή που κυριαρχεί η στοχαστικότητα λόγω των τυχαίων θέσεων των PAGs στην περιοχή που κεντρικό ρόλο παίζουν τα φαινόμενα PSN . Οι παράμετροι πλευρικής τραχύτητας που υπολογίσαμε (τυπική απόκλιση από την κυκλικότητα και μήκος συσχέτισης των ακμών των οπών) από την ανάλυση όλων των πειραμάτων που πραγματοποίηθηκαν με διαφορετικές συνθέσεις του φωτοπολυμερούς και διαφορετικές δόσεις ακτινοβόλησης δείχνουν ότι αυτές συγχωνεύονται σε μία κοινή αυξητική καμπύλη όταν τοποθετηθούν σε διάγραμμα συναρτήσει της μέσης διαμέτρου των οπών. Επιπροσθέτως, η τυπική απόκλιση της πλευρικής τραχύτητας των οπών αυξάνει με τη δόση και τη συγκέντρωση του PAG, σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει στις γραμμικές δομές. Η ερμηνεία των παραπάνω πειραματικών ευρημάτων μπορεί να βοηθηθεί από την ανάλυση με φάσματα ισχύος της τραχύτητας των ακμών των οπών. Σε αυτά φαίνεται η κυρίαρχη συμμετοχή των χαμηλών συχνοτήτων στη διαμόρφωση της πλευρικής τραχύτητας η οποία μπορεί να αποδοθεί σε αυξημένη αλληλεπίδραση μεταξύ γειτονικών οπών ιδίως στις κατευθύνσεις που οι ακμές τους πλησιάζουν περισσότερο.

Συνοψίζοντας, στη διατριβή αυτή δείχθηκε ότι στις νανολιθογραφικές τεχνικές όπως η EUVL, πέρα από τα φαινόμενα θορύβου λόγω τυχαίας πρόπτωσης των φωτονίων, η τραχύτητα και η διασπορά των διαστάσεων μπορεί να επηρεάζεται από την τυχαία θέσει των πρόσθετων μορίων στο φωτοπολυμερές αλλά και από την αλληλεπίδραση μεταξύ των γειτονικών οπών σε συγκεκριμένες διευθύνσεις, η οποία καθορίζεται από τη διάμετρό της και τη μεταξύ τους απόσταση.

The increased stochastic effects in the nanofabrication processes result in patterned features with deviations from the designed shape and size uniformity. In the top-down approach to nanotechnology (lithographic techniques), the process stochasticity is manifested in the roughness of the feature surfaces and the variability of their size. The roughness and variability issues become more evident in Extreme Ultra Violet Lithography, the strongest candidate for circuit manufacturing at critical dimensions <20nm. The fabrication of nanofeatures with controlled sidewall roughness and variability using EUVL requires the development of advanced metrological and modelling tools since the capabilities of the present methods are limited.

In this thesis, we developed metrology and modelling methodologies specialized in the measurement of the roughness and variability of contact holes and the simulation of their fabrication. The metrology approach is based on the analysis of top-down SEM images, while a simple modelling framework is used capable to include the effects of photon shot noise (PSN) acid diffusion and pattern parameters (CD and pitch).

Then we applied these tools in the analysis and interpretation of experimental results concerning the effects of exposure dose and resist ingredients (PAG, sensitizer, quencher) on contact sidewall roughness (Contact Edge Roughness, CER) and size variability (Critical Dimension Uniformity, CDU). We found that the dependencies of CDU on dose, sensitizer and quencher are dominated by photon shot noise (PSN) effects whereas a transition from PAG statistics dominated to PSN driven behavior is observed in the dependence of CDU on PAG concentration.

The estimated CER parameters (root mean square (RMS) value and correlation length (ξ) exhibit a merging trend when are plotted against the final critical dimension (CD). In addition, RMS value increases with exposure dose and PAG loading contrary to shot noise and Line Edge Roughness expectations. Power spectrum analysis reveals the dominant contribution of low-frequency undulations to CER, which is attributed to the enhanced interaction along specific directions between the aerial image and / or acid kinetics of nearby contacts. This inter-contact effect is further intensified with CD for fixed pitch and may explain the observed CER behavior.

In summary, the results of this thesis show that in EUV lithography, besides PSN effects the roughness and variability of the printed features may also be affected by the chemical noise of PAG molecules and the pattern parameters CD and pitch.