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在上一期《名家专栏》中，我们初探超宽带极紫外光源在半导体量检测中的应用，从先进高*芯片制造需求入手，对相干X射线衍射成像技术的原理及在半导体领域应用做了重点分享，本期将介绍基于超宽带极紫外工艺的散射测量技术的应用情况。
人工智能、云计算等领域对先进高*芯片需求极其强烈，而先进高*芯片制造的核心步骤是光刻。目前最*进的极紫外光刻机采用13.5 nm（2%带宽）的极紫外（Extreme ultraviolet, EUV）光，已应用于5 nm及以下工艺节点的芯片量产。在半导体生产过程中，每一道工艺都需要进行定量测量以保证工艺指标。随着工艺节点的不断缩减和集成电路器件物理尺度的缩小，晶体管逐渐向三维结构发展，需要量检测的缺陷尺度和物理尺寸也在不断缩小，光谱超宽带的高次谐波(High order harmonic generation, HHG)相干光源具有重要应用前景。
下面介绍基于超宽带极紫外工艺的散射测量技术的应用。散射测量法是一种通过分析器件中光强变化进行测量的光学计量技术，该技术已广泛应用于半导体行业中纳米结构表面的晶圆计量。目前存在两种散射测量方法：角度分辨型与光谱型散射仪。角度分辨散射测量采用单波长多角度探测方式，可同时测量零级和一级衍射信号；而光谱型系统则在固定入射角下工作，通过可见光或紫外波段宽谱测量仅获取零级衍射信号。而极紫外（EUV）散射测量在固定入射角下，采用类激光多波长测量非零级衍射光强。极紫外短波长特性可激发纳米光栅特征的多级衍射，相较于零级衍射光束，这些充分分离的高阶衍射光束蕴含更丰富的结构信息。
在集成电路发展中，功耗约束下的器件微缩和集成度提升始终是集成电路发展的核心。然而传统的二维平面集成方式面临物理极限和工艺极限的瓶颈，晶体管级三维集成技术开始受到广泛的关注。从早期的平面MOSFET到三维结构的FinFET，FinFET以其三维鳍状结构有效提高了栅极对电流的控制能力，降低了漏电流并增强了开关速度。然而，随着节点的演进和进一步的微缩，环绕栅极器件 (gate all around, GAA)技术应运而生[doi: 10.1109/IEDM.2018.8614629]。
图1、先进逻辑晶体管的技术演进
在GAA技术中，沟道被栅极四面包裹，这种围栅设计进一步增强了对电流的控制，显著减少了短沟道效应，因而能够适应更小的制程节点。但是，GAA的3D几何形状带来了新的半导体测量挑战[Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology, 2022, 21(2): 021206]。环绕栅极器件的制造需要三个关键且需精确计时的横向刻蚀步骤来确定沟道长度：硅锗凹槽刻蚀、内间隔层刻蚀以及纳米片释放刻蚀。ASML和Intel的科研人员使用10-20 nm 波长的极紫外散射测量法提供了一种很有前途的下一代测量技术，适用于3D轮廓测量和套刻(overlay, OVL) 应用。与目前现有的测量技术相比，这种波长的解决方案具有独*的优势：(1) 短波长允许比传统可见波长提供的分辨率更高的测量，从而能够测量器件间距。(2)以单次散射为主的信号在参数之间具有低相关性，这有助于信号的物理解释，使得许多感兴趣的参数能够被准确地同时提取。(3)该波段提供3D测量功能，支持高达400 nm的穿透深度。这些特性使其适合测量高*芯片器件的3D轮廓。
该方法使用基于10-20 nm波长相干光的散射测量概念，光源采用高次谐波极紫外光源(HHG EUV)，具有高亮度、宽带、相干光源特性[Physical Review Letters, 1993, 71(13): 1994-1997]。类激光的HHG EUV源聚焦照明到晶圆上，通过探测器收集衍射光。由于宽带光源，周期性结构会产生具有空间分离的不同波长衍射级，如图2中的彩虹所示[Proceedings of SPIE, 2023, 12496: 124961I]。基于高次谐波极紫外光源，科研人员可以在埋藏的100-400 nm厚的GAA 3D结构上实现散射测量。
图2、用于晶圆检测的极紫外/软X射线散射测量工具概念和远场检测示意图。
图3、晶圆GAA 3D结构散射测量。(a) 测量的英特尔GAA晶圆的示意图：8个晶圆的平均凹槽蚀刻因蚀刻时间而异。(b) 从 GAA 测量的衍射图案。 (c) 基于具有不同凹槽蚀刻时间的8个晶圆的数据驱动推理结果。
如图3所示，通过对标称刻蚀时间进行数据驱动训练，可以观察到对该凹槽刻蚀深度的检测灵敏度。图3(c)中的标记形状表示各测量目标点在晶圆上的径向位置。可以发现，就平均而言，边缘测量点与设定值的偏差最大，而中间半径位置测量点的偏差最小，这与刻蚀工艺的径向特征预期完*吻合。
从上述例子可见，高次谐波过程产生的极紫外光源由于具有宽光谱、高亮度等特性，在量检测方面具有独*的优势。在其带宽范围内，所有材料都表现出相似的特性：其折射率接近于1，因此单次散射通常占主导地位。这导致描述建模叠层结构的几何参数之间普遍存在强去相关性，即使在需要20多个参数来表征器件结构的复杂应用场景中亦是如此。这种去相关性是极紫外/软X射线轮廓计量技术的关键优势，因为它能够推断出比可见光计量多得多的参数。其多波长的宽带光谱可以进一步提高关键尺寸（CD）测量，套刻测量以及复杂的三维晶体管结构的测量精度，对于新的半导体工艺发展至关重要。
而且，基于极紫外光（EUV）的纳米结构计量技术正日益成为科学与技术领域的研究热点。极紫外短波长特性使其对微小尺度结构、元素组成以及电子磁序具有*高探测灵敏度。
人物介绍
曾志男，上海光机所研究员，其团队长期从事高次谐波（HHG）和阿秒超快方面研究，参与建设上海*强超短激光装置（SULF）等，发表 SCI 论文 80 余篇，编撰专著《阿秒激光技术》，先后获得基金委“优秀青年基金"和国家科技创新领*人才的资助。
