Imec demonstreert 18 nm Pitch Line/Space Patterning met behulp van een High-Chi Directed Self-Assembly proces

Top-Down- (links) en dwarsdoorsnede- (rechts) REM-opnames van een 18-nm-lijn-/ruimtepatroon volgens High-χ-DSA en daarna ingesneden in een doel-SiN-laag.

Deze week, op de SPIE Advanced Lithography Conference 2021, demonstreerde imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, voor het eerst de mogelijkheid van Directed Self Assembly (DSA) om lijnen/ruimtes met een pitch van slechts 18 nm te structureren, onder gebruik van een High-χ-Blockcopolymeer (High-χ BCP) gebaseerd proces onder High-Volume-Manufacturing (HVM) omstandigheden. Er werd een geoptimaliseerde droog etstechnologie gebruikt om het patroon succesvol over te brengen op een onderliggende dikke SiN-laag - wat een aanvullende defectinspectie mogelijk maakt. Deze resultaten bevestigen het potentieel van DSA als aanvulling op de traditionele top-down structuurering voor de industriële fabricage van sub-2nm-technologieknooppunten.

De verdere miniaturisering van componenten zal de structuurering van structuren met kritische afstanden onder de 20 nm vereisen. Bij deze kleine structuurgroottes wordt de traditionele top-down lithografie steeds meer uitgedaagd door problemen die verband houden met de reactie van lichtgevoelige materialen op licht - zoals stochastische defecten bij het printen en lijnrand-/lijnbreedte-rouhheid (LER/LWR). Sinds 2010 is de industrie begonnen zich te interesseren voor alternatieve bottom-up structuureringstechnieken, zoals bijvoorbeeld Directed Self Assembly (DSA), als een mogelijke manier om de fotolithografische structuurering aan te vullen en verder uit te breiden.

DSA maakt gebruik van de microfasescheiding van een blockcopolymeer (BCP) om een patroon te definiëren. Het patroon kan worden gegenereerd door de samenstelling en grootte van het polymeer af te stemmen. De assemblage kan verder worden geleid door het gebruik van een voorpatroon van lijnen/ruimtes of gaten. Dit leidt tot een definitief regelmatig patroon in nanogrootte met veel kleinere afstanden (30-5 nm) dan de leidraad. In 2019 kon imec een patroon van lijnen/ruimtes met 28 nm pitch genereren met lage en stabiele defectiviteit (d.w.z. bruggen en dislocaties), gebaseerd op DSA van het PS-b-PMMA blockcopolymeer.

Op basis van deze bevindingen richt imec zich nu op de ontwikkeling van het DSA-proces richting sub-20 nm pitch-structurering met gebruik van second-generation blockcopolymeren, d.w.z. high-χ BCPs van imecs DSA-materiaalpartners (Merck KGaA, Darmstadt, Brewer Science Inc., Nissan Chemical Corp., Tokyo Ohka Kogyo Co. Ltd.). Het patroon werd gemaakt uit een 90-nm leidraadpatroon met volledige pitch, dat werd gegenereerd door 193-immersielithografie. Na 60 seconden zelfassemblage van high-χ BCP op een HVM-vriendelijke oppervlakte (SCREEN Semiconductor Solutions Co., Ltd.) konden in het beste geval geen dislocaties worden gedetecteerd op het 18 nm pitch L/S-patroon. "De daaropvolgende overdracht van de high-aspect-ratio lijnen naar de onderliggende materiaalstack was zeer veeleisend", zegt Hyo Seon Suh, teamleider Exploratory Patterning Materials bij imec. "Als eerste stap etsten we een blok van de BCP met een droog etstechnologie met geoptimaliseerde etselectiviteit. Na het openen van het blok werd het andere blok overgebracht naar de onderliggende stapels, die dienden als harde maskers voor de verdere structuurering van een SiN-laag. Een op maat gemaakte droog etstechnologie, ontwikkeld in nauwe samenwerking met Tokyo Electron Ltd., stelde ons in staat om het 18-nm lijnen/ruimtemodel succesvol over te brengen op een SiN-laag die diep genoeg was voor een daaropvolgende defectinspectie, zonder dat er merkbaar lijntrillen of lijninstabiliteit optrad." In een volgende fase wordt deze gestructureerde laag gebruikt om de metrologie voor defectinspectie en LER/LWR-metingen in te richten.

"De afgelopen jaren heeft DSA grote industriële interesse gewekt, wat heeft geleid tot een waardevol ecosysteem van universiteiten, meetbedrijven, materiaal- en apparatuurleveranciers. Ons DSA-ecosysteem was de sleutel tot de resultaten die we tot nu toe hebben bereikt", zegt Steven Scheer, VP Advanced Patterning Process and Materials bij imec. "Voor het eerst hebben we aangetoond dat DSA in staat is om verder te gaan dan 20 nm pitch, om lijnen en ruimtes te genereren. Het proces is schaalbaar naar kleinere pitches door de χ-waarde van het BCP stapsgewijs te verhogen. We geloven dat deze bottom-up methode in staat is om traditionele top-down structuureringstechnieken aan te vullen of in combinatie met EUV-lithografie te gebruiken voor de structuurering van de meest kritische kenmerken van de volgende generatie componenten."