Cryo-ET phát hiện các cụm quang trở, giúp giảm 99% lỗi DUV nhưng làm suy giảm EUV

Những gì các nhà nghiên cứu phát hiện

Một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc đã ghi lại một trong những hình ảnh rõ nét nhất từ trước đến nay về những gì xảy ra với quang trở trong quá trình hình thành mẫu mạch trên chip. Bằng phương pháp chụp cắt lớp điện tử đông lạnh, hay cryo-ET, họ quan sát cách các polymer quang trở hòa tan di chuyển, tập trung và kết tụ trong dung dịch hiện ảnh ở thang nanomet. Hình ảnh cho thấy phần lớn khối lượng polymer di chuyển đến mặt phân cách khí - lỏng và tạo thành các cụm có thể rơi trở lại đế wafer, gây lỗi mẫu. Từ phát hiện này, nhóm nghiên cứu nhận thấy việc tăng nhẹ nhiệt độ nung sau phơi sáng và duy trì một lớp dung dịch hiện ảnh liên tục trên bề mặt có thể ngăn kết tụ, đồng thời giảm hơn 99% số lỗi trên wafer 300 mm khi sử dụng kỹ thuật quang khắc tử ngoại sâu.

Phát hiện này nhắm đến một trong những vấn đề dai dẳng nhất trong chế tạo chip. Một con chip có thể trải qua hàng nghìn công đoạn, và cặn hoặc hạt vi mô ở bất kỳ công đoạn nào cũng có thể tạo ra cầu nối, chỗ đứt hoặc cạnh gồ ghề làm giảm tỷ lệ thành phẩm. Công đoạn hiện ảnh là khâu then chốt làm tăng rủi ro, bởi lớp quang trở đã phơi sáng phải hòa tan sạch và ổn định trong khi các mẫu vẫn sắc nét. Nghiên cứu mới không thay đổi nền tảng hóa học của quá trình chuyển mẫu, nhưng hé lộ một cơ chế ẩn giải thích vì sao cặn vẫn xuất hiện dù quy trình được kiểm soát cẩn thận.

Trong thí nghiệm, các polymer quang trở khuếch đại hóa học được quan sát ngay trong môi trường lỏng tự nhiên, với độ phân giải tốt hơn 5 nanomet. Các polymer có dạng chuỗi mềm dẻo, giống sợi. Với những lớp phim dày khoảng 25 đến 100 nanomet, các nhà nghiên cứu đo được khoảng 80% khối lượng polymer di chuyển lên phía trên lớp chất lỏng, gần vị trí dung dịch hiện ảnh tiếp xúc với không khí. Tại mặt phân cách này, các polymer tạo thành những cụm đan rối lỏng lẻo, thường rộng hàng chục nanomet, đủ lớn để gây lỗi mẫu nếu bám lại trên wafer. Nhiệt có thể tháo gỡ các mối đan rối này, phù hợp với quan sát rằng nung sau phơi sáng ở nhiệt độ cao hơn giúp hạn chế hình thành cụm.

Nhóm nghiên cứu đề xuất hai biện pháp thực tiễn: tăng nhiệt độ nung sau phơi sáng từ khoảng 95 lên khoảng 105 độ C, đồng thời duy trì lớp dung dịch hiện ảnh đồng đều trên bề mặt để kiểm soát mặt phân cách và cuốn trôi các cụm. Trong các thử nghiệm trên wafer 12 inch, sử dụng hóa chất quang trở hiện có cùng thiết bị phủ, phơi sáng, nung và hiện ảnh tử ngoại sâu tiêu chuẩn, giải pháp kết hợp này giúp giảm hơn 99% lỗi nhìn thấy được dạng cặn. Tuy nhiên, các tác giả lưu ý điều chỉnh nhiệt độ này không có lợi cho quang khắc tử ngoại cực tím, vì nó làm axit khuếch tán và khiến các chi tiết nhỏ nhất bị nhòe.

Cách quang trở tạo mẫu

Quang khắc tạo ra khuôn mạch định hình mọi chi tiết kim loại và điện môi trên chip. Wafer được phủ quang trở, sau đó chiếu sáng theo mẫu, nung để thúc đẩy các phản ứng quan trọng, hiện ảnh bằng dung dịch để loại bỏ những vùng cần thiết, rồi rửa và sấy khô. Với tử ngoại sâu ở bước sóng 193 nanomet và tử ngoại cực tím ở bước sóng 13,5 nanomet, vật liệu phổ biến nhất là quang trở khuếch đại hóa học. Các lớp phủ này chứa chất sinh axit quang hóa, giải phóng axit tại những vùng được ánh sáng chiếu tới. Trong quá trình nung sau phơi sáng, axit xúc tác các phản ứng bên trong polymer, khiến những vùng đã phơi sáng dễ hòa tan hơn ở quang trở dương hoặc khó hòa tan hơn ở quang trở âm.

Nhìn từ bên ngoài, công đoạn hiện ảnh có vẻ đơn giản, nhưng vật lý và hóa học bên trong lớp chất lỏng mỏng rất phức tạp. Dung dịch hiện ảnh hòa tan các mảnh polymer ở những vùng đã được kích hoạt bởi ánh sáng và quá trình nung sau phơi sáng. Chất lỏng được dàn trên wafer theo dạng vũng hoặc tia phun có kiểm soát, và một lớp phim rất mỏng còn lại trong khi quá trình hòa tan diễn ra. Các mặt phân cách đóng vai trò quan trọng vào thời điểm này. Lực bề mặt có thể hút các chuỗi polymer về ranh giới khí - lỏng, nơi chúng đan rối và tạo thành cụm. Nếu cụm hoặc các chuỗi hòa tan một phần bám trở lại dọc theo mép hay giữa những đường mạch liền kề, chúng có thể gây nối cầu, đứt đường mạch hoặc gồ ghề, trở thành lỗi ở các công đoạn sau.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã trực tiếp quan sát hiện tượng đan rối này. Các cụm họ ghi nhận được liên kết với nhau bằng những tương tác yếu, có thể đảo ngược. Vì vậy, chúng nhạy với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ và lịch sử dòng chảy của chất lỏng. Nung sau phơi sáng ở nhiệt độ cao hơn làm tăng độ linh động của chuỗi và giúp các phản ứng hoàn tất, qua đó cải thiện độ đồng đều khi hòa tan. Lớp dung dịch hiện ảnh ổn định hơn khiến các cụm ít có cơ hội hình thành tại mặt phân cách khí - lỏng, đồng thời giúp cuốn trôi các chuỗi rời trước khi rửa và sấy.

Vì sao nung nóng hơn có lợi cho DUV nhưng bất lợi cho EUV

Cùng một điều chỉnh nhiệt giúp loại bỏ cặn trong quy trình tử ngoại sâu có thể làm suy giảm độ trung thực của mẫu trong quy trình tử ngoại cực tím. Trong các quy trình nhúng 193 nanomet, nhiệt độ nung sau phơi sáng khoảng 95 đến 110 độ C là phổ biến. Điều chỉnh trong khoảng này có thể cải thiện độ tương phản hòa tan, giảm cặn và mở rộng cửa sổ quy trình có thể sử dụng. Nhiệt bổ sung làm giãn các mối đan rối thuận nghịch giữa các chuỗi và thúc đẩy các phản ứng hóa học quyết định vùng nào hòa tan, vùng nào còn lại. Dù vẫn cần điều chỉnh cẩn thận, mức tăng mà các nhà nghiên cứu báo cáo nằm trong phạm vi thường dùng với thiết bị và quang trở tử ngoại sâu.

Quang khắc tử ngoại cực tím ít chịu được khuếch tán bổ sung hơn nhiều. Các chi tiết nhỏ hơn và biến thiên ngẫu nhiên cao hơn do số photon được hấp thụ trên mỗi đơn vị diện tích thấp hơn. Nhiệt độ nung sau phơi sáng tăng nhẹ sẽ làm tăng quãng đường khuếch tán của axit và sự dịch chuyển của các thành phần khác. Điều này làm nhòe ảnh tiềm ẩn, khiến các cạnh kém sắc nét và tăng độ gồ ghề cạnh đường mạch. Nó cũng làm tăng nguy cơ thiếu đường mạch hoặc các đường mạch nhỏ nhất bị nhập làm một. Vì vậy, các quy trình EUV tìm cách hạn chế khuếch tán, trong đó có điều chỉnh nhiệt độ nung, tối ưu hàm lượng chất dập tắt axit và chuyển sang vật liệu không phụ thuộc vào cơ chế khuếch đại hóa học tầm xa.

Nhiều chương trình phát triển EUV đang chuyển sang quang trở chứa kim loại hoặc oxit kim loại, có khả năng hấp thụ EUV cao hơn và phản ứng vốn chỉ diễn ra trong phạm vi ngắn. Những vật liệu này có thể tạo ra mẫu mịn mà ít phụ thuộc vào sự khuếch tán axit. Chiến lược đó, kết hợp với tối ưu liều chiếu và cải tiến quy trình trên thiết bị phủ, nhằm duy trì độ phân giải đồng thời hạn chế lỗi ngẫu nhiên, mà không cần tăng nhiệt độ nung đến mức làm nhòe chi tiết.

Cryo-ET được đưa vào phòng thí nghiệm chế tạo chip

Từ tế bào đến mạch điện

Cryo-ET từ lâu đã là kỹ thuật chủ lực trong sinh học cấu trúc. Phương pháp này giữ các phân tử ở trạng thái gần với tự nhiên bằng cách đông thủy tinh hóa nhanh, sau đó tái dựng thể tích ba chiều từ một loạt ảnh hiển vi điện tử hai chiều chụp ở nhiều góc nghiêng. Việc áp dụng phương pháp này vào hóa học bán dẫn đòi hỏi thao tác mẫu và căn thời gian chính xác. Nhóm nghiên cứu phơi sáng và nung wafer theo quy trình tiêu chuẩn, lấy một lượng rất nhỏ dung dịch hiện ảnh chứa các chuỗi quang trở đã hòa tan, rồi đông thủy tinh hóa mẫu trong vòng vài mili giây trên lưới hiển vi điện tử. Bằng cách xoay mẫu đông lạnh bên trong kính hiển vi điện tử và thu thập nhiều hình chiếu, nhóm nghiên cứu tái dựng được cách các polymer sắp xếp ba chiều bên trong chất lỏng.

Kết quả là một góc nhìn toàn cảnh về công đoạn hiện ảnh, điều trước đây chưa thể thực hiện. Các công cụ truyền thống chỉ có thể khảo sát cặn đã khô, vốn có thể biến đổi hình thái, hoặc suy luận hành vi từ những chỉ số gián tiếp như tốc độ hòa tan và độ gồ ghề đo được sau đó. Cryo-ET cung cấp góc nhìn tại chỗ. Hình ảnh trong nghiên cứu cho thấy các chuỗi dạng sợi có hình cuộn ngẫu nhiên, tập trung mạnh gần bề mặt khí - lỏng và tạo thành các mối đan rối yếu có thể bị nhiệt phá vỡ. Bằng chứng này ủng hộ một giải pháp đơn giản cho các quy trình tử ngoại sâu: điều chỉnh vừa phải nhiệt độ nung kết hợp với kiểm soát lớp dung dịch hiện ảnh trên thiết bị phủ.

Dữ liệu của nhóm cũng giúp giải thích vì sao các nhà máy bán dẫn hàng đầu hiếm khi xem những cụm lớn ở mặt phân cách là nguyên nhân hàng đầu gây lỗi tại các nút công nghệ nhỏ nhất. Lỗi nghiêm trọng ở các bước khắc tiên tiến thường nhỏ hơn kích thước cụm quan sát được trong nghiên cứu này, cho thấy các dây chuyền cao cấp đã hạn chế cơ chế này bằng cách tối ưu quá trình nung, kiểm soát chặt điều kiện trên thiết bị phủ và áp dụng các quy trình rửa tiên tiến. Cryo-ET cung cấp một công cụ chẩn đoán sắc nét hơn để kiểm chứng hiệu quả kiểm soát đó và tìm ra những cơ chế khác trong pha lỏng có thể quan trọng khi kích thước tiếp tục thu nhỏ.

Ý nghĩa đối với Trung Quốc và cuộc đua toàn cầu

Các nhà sản xuất chip Trung Quốc đang tìm cách tăng tỷ lệ thành phẩm trong bối cảnh bị hạn chế tiếp cận thiết bị tử ngoại cực tím và các thiết bị tiên tiến khác. Quang khắc tử ngoại sâu kết hợp đa mẫu vẫn rất cần thiết để tạo các chi tiết nhỏ, nhưng mỗi lần phơi sáng bổ sung đều làm tăng chi phí và rủi ro. Các báo cáo cho biết những xưởng đúc chip lớn ở Trung Quốc đã tận dụng mạnh các nền tảng đời cũ, khiến việc kiểm soát lỗi và làm sạch càng quan trọng để đạt tỷ lệ thành phẩm chấp nhận được. Bất kỳ phương pháp nào giúp giảm cặn trong quá trình hiện ảnh một cách đáng tin cậy bằng thiết bị hiện có đều có giá trị trong bối cảnh này.

Quy trình được báo cáo hấp dẫn với các dây chuyền trong nước vì không đòi hỏi nền tảng phơi sáng mới hay vật liệu đặc biệt. Quy trình sử dụng quang trở tử ngoại sâu và thiết bị trên dây chuyền hiện có. Các thay đổi được đề xuất, gồm nung sau phơi sáng ở nhiệt độ cao hơn một chút và điều chỉnh thiết bị hoặc công thức nhằm duy trì lớp dung dịch hiện ảnh ổn định, đều nằm trong khả năng của các thiết bị phủ phổ biến. Mức tăng sản lượng ở các nút công nghệ trưởng thành và trung cấp có thể trực tiếp giúp thu được nhiều chip sử dụng được hơn trên mỗi wafer.

Kết quả này không giúp thu hẹp khoảng cách trong quang khắc tử ngoại cực tím. Ngược lại, nghiên cứu càng cho thấy thành công với EUV phụ thuộc vào vật liệu có khả năng giới hạn phản ứng và kiểm soát chặt sự khuếch tán. Tiến bộ trong lĩnh vực này đến từ quang trở mới, nguồn công suất cao hơn và kỹ thuật đo lường tốt hơn, chứ không phải từ việc tăng nhiệt độ nung. Dù vậy, phương pháp cryo-ET vẫn quan trọng vì có thể làm sáng tỏ hành vi trong pha lỏng ở nhiều công đoạn ướt khác ảnh hưởng đến tỷ lệ thành phẩm cuối cùng.

Giới hạn và quy trình hiện có tại các nhà máy hàng đầu

Chính nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các cụm ở mặt phân cách mà họ quan sát được có thể đảo ngược và tương đối lớn. Các nhà máy hàng đầu vốn đã tránh để lộ mặt phân cách không khí - chất lỏng trong những khoảng thời gian nhạy cảm, đồng thời duy trì lớp dung dịch hiện ảnh liên tục để giảm nguy cơ cặn bám trở lại. Các mô-đun trên thiết bị phủ kiểm soát quá trình tạo vũng, tốc độ cấp dung dịch và chế độ quay wafer để giữ độ dày lớp phim cũng như thời gian tiếp xúc trong phạm vi hẹp. Các tấm nung được hiệu chuẩn theo từng vị trí trên wafer 300 mm. Bộ lọc và quy trình quản lý dung dịch giúp giảm hạt và lượng chất hữu cơ hòa tan bị cuốn theo.

Các thiết bị quang khắc hiện đại cũng tích hợp cảm biến và khâu kiểm tra ngay trên dây chuyền để phát hiện quy trình lệch chuẩn. Phân tích Pareto về lỗi và thiết kế thí nghiệm cẩn thận đã giúp xác định nhiệt độ nung và thời gian hiện ảnh an toàn trong nhiều năm. Hình ảnh cryo-ET cung cấp bức tranh cơ chế phù hợp với kinh nghiệm thực tiễn đó. Các kỹ sư có thể xác nhận rằng những mối đan rối trên bề mặt yếu, chịu ảnh hưởng của nhiệt và phản ứng với việc kiểm soát lớp phim. Sự xác tín này hữu ích khi đưa vào hóa chất mới hoặc đẩy các công thức đã biết đến giới hạn trong quá trình tăng sản lượng.

Vật liệu EUV triển vọng

Trong khi quang trở hữu cơ khuếch đại hóa học vẫn chiếm ưu thế trên các dây chuyền tử ngoại sâu, vật liệu dùng cho tử ngoại cực tím đang chuyển dần sang các hệ chứa kim loại. Quang trở oxit kim loại và quang trở cụm kim loại dựa trên thiếc, hafni, zirconi cùng các nguyên tố liên quan hấp thụ nhiều photon EUV hơn trên mỗi đơn vị độ dày. Khi được phơi sáng, chúng cũng hình thành mạng lưới không phụ thuộc vào sự vận chuyển axit tầm xa. Những đặc tính này giúp giảm độ gồ ghề bề rộng đường mạch và hỗ trợ tạo mẫu ở kích thước dưới 15 nanomet với liều chiếu vẫn phù hợp cho các thiết bị sản xuất. Các nhà nghiên cứu đang điều chỉnh quy trình tổng hợp, trong đó có thẩm thấu pha hơi và hóa học sol-gel không dùng nước, để tạo ra lớp phủ đồng đều, chống lỗi và có độ nhạy kiểm soát được.

Một nghiên cứu gần đây đã pha trộn hai loại cụm oxit thiếc để đạt độ nhạy cao đồng thời cải thiện khả năng chống ăn mòn ở cạnh. Hỗn hợp tạo ra các mẫu có nửa bước sóng trong khoảng 13 đến 16 nanomet ở liều chiếu khoảng 50 đến 60 millijoule trên mỗi centimet vuông, với khả năng chịu ăn mòn tốt hơn và mẫu dày, bền hơn. Phân tích quang phổ cho thấy các cụm tương tác hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình phơi sáng và các phản ứng sau phơi sáng. Nghiên cứu dạng này gợi mở hướng phát triển vật liệu giúp tạo ảnh EUV sắc nét hơn mà không phải chịu tác động bất lợi do khuếch tán khi tăng nhiệt độ nung.

Các dự án tương lai trong lĩnh vực này tập trung vào thiết kế phối tử, tổ hợp kim loại mới và kiểm soát quá trình tổng hợp nhằm hạn chế lỗi ngẫu nhiên mà vẫn giữ độ phân giải. Nếu thành công, các vật liệu này sẽ giảm sự phụ thuộc vào các bước nung mạnh và giúp kỹ sư vận hành thiết bị có thêm dư địa tinh chỉnh quá trình hiện ảnh mà không làm giảm độ sắc nét của cạnh.

Những điểm cần theo dõi trong sản xuất

Với các nhà sản xuất chip sử dụng tử ngoại sâu, kết luận trước mắt có tính thực tiễn. Hãy kiểm chứng khoảng nhiệt độ nung và điều kiện hiện ảnh với loại quang trở cụ thể trên thiết bị, đồng thời định lượng mọi thay đổi về lỗi cặn. Độ đồng đều nhiệt độ nung trên toàn wafer, thời điểm tạo vũng dung dịch hiện ảnh và động lực cấp dung dịch đều có thể ảnh hưởng đến việc các cụm có đủ thời gian hình thành rồi bám trở lại hay không. Khoảng nhiệt độ trong nghiên cứu nằm trong phạm vi nhiều nhà máy đang sử dụng, nên việc đánh giá sẽ đơn giản hơn. Cần tránh tăng nhiệt độ hoặc thời gian quá mức, vì có thể làm hỏng quang trở hoặc khiến kích thước vượt ngoài dung sai.

Kiểm tra và đo lường cũng quan trọng không kém các công thức quy trình. Dây chuyền có thể phát hiện và phân loại cặn sớm trong quá trình tăng sản lượng sẽ điều chỉnh nhanh hơn. Bản đồ lỗi, chỉ số độ gồ ghề cạnh đường mạch và tối ưu quy trình rửa đều cần được triển khai song song với các điều chỉnh nhiệt độ nung được mô tả ở đây. Dù không liên quan nhiều đến EUV, bản thân phương pháp chụp ảnh này là một công cụ mới có giá trị. Cryo-ET có thể khảo sát tương tác trong pha lỏng ở các công đoạn ướt khác như rửa sau hiện ảnh hoặc làm sạch ướt chọn lọc, nơi các tập hợp phân tử nhỏ thường quyết định độ ổn định của quy trình.

Điểm chính

• Cryo-ET lần đầu cho phép quan sát trực tiếp cấu trúc 3D của các polymer quang trở hòa tan trong dung dịch hiện ảnh, qua đó phát hiện hiện tượng kết tụ tại mặt phân cách khí - lỏng.
• Tăng nhiệt độ nung sau phơi sáng từ khoảng 95 lên 105 độ C và duy trì lớp dung dịch hiện ảnh liên tục giúp giảm hơn 99% lỗi dạng cặn trên wafer tử ngoại sâu 300 mm.
• Các mối đan rối trong cụm yếu và có thể bị nhiệt phá vỡ, giải thích vì sao thay đổi nhiệt độ tương đối nhỏ cũng có thể làm chúng mất ổn định.
• Mức tăng nhiệt độ tương tự làm suy giảm độ trung thực của mẫu tử ngoại cực tím do tăng khuếch tán axit, làm nhòe cạnh và tăng độ gồ ghề cạnh đường mạch.
• Các nhà máy hàng đầu vốn đã điều chỉnh chế độ nung và hiện ảnh để tránh những cụm bề mặt này, nên chúng hiếm khi được xem là lỗi nghiêm trọng ở các nút công nghệ nhỏ nhất.
• Các nhà máy Trung Quốc dựa vào quang khắc tử ngoại sâu đa mẫu có thể hưởng lợi từ những khía cạnh phù hợp với DUV của nghiên cứu, nhưng khả năng tiếp cận EUV và vật liệu vẫn là rào cản lớn hơn.
• Quang trở oxit kim loại và cụm kim loại dành cho EUV hướng đến khả năng hấp thụ cao, chống ăn mòn tốt và phản ứng trong phạm vi ngắn nhằm hạn chế khuếch tán mà không cần nung nóng hơn.
• Cryo-ET mở ra hướng chẩn đoán mới để nghiên cứu tương tác trong pha lỏng ở các công đoạn hiện ảnh, rửa và làm sạch ướt, vốn ảnh hưởng đến tỷ lệ thành phẩm cuối cùng.