Directed self-assembly of block copolymers for complementing extreme ultraviolet lithography

Promovendus/a: Julie Van Bel

Promotor(en): Prof. dr. Stefan De Gendt, Dr. Hyo Seon Suh, Dr. Lander Verstraete

Voor verdere verkleining van de meest kritische structuren in halfgeleider­microchips moet de industrie overschakelen van 193 nm immersion‑lithografie naar extreme ultraviolet (EUV)‑lithografie met een golflengte van 13,5 nm. Deze grote toename in energie beperkt echter sterk het aantal fotonen dat bij een gegeven bronvermogen kan worden geproduceerd, wat bij conventionele, chemisch versterkte resists leidt tot niet-uniformiteit, ruwheid en defectiviteit. Blokcopolymeer gestuurde zelfassemblage (DSA) kan hiervoor een oplossing bieden. Het is een complementaire patroonvormingstechniek naast fotolithografie en heeft zijn potentieel voor patroonrectificatie reeds bewezen. Door fasescheiding op nanometerschaal kunnen blokcopolymeren zoals PS‑b‑PMMA zich zelf assembleren tot lijn- of cilinderpatronen met domeingroottes van 3 tot 80 nm. Het onderliggende fotolithografiepatroon fungeert als chemisch gidspatroon om translatie‑ en orientatie op te leggen, maar de uiteindelijke patroonkwaliteit wordt bepaald door de structuur van het blokcopolymeer. In dit doctoraatsonderzoek wordt de patroonvormingsprestatie van EUV + DSA onderzocht. Hoewel de compatibiliteit van EUV‑lithografie en DSA reeds in de literatuur was aangetoond, was er bij de start van deze thesis nog geen proces ontwikkeld dat bruikbaar was in een grootschalige producte fab. Wij hebben met succes een EUV + DSA‑procesflow opgezet die lijnpatronen met een pitch van 28 nm kan genereren. Hoewel de doelstellingen voor ruwheid en defectiviteit die gelden voor grootschalige productie niet konden worden gehaald, leert onze systematische studie dat de lijnrandruwheid aanzienlijk kan worden verbeterd door optimalisatie van het DSA‑materiaal en de procesparameters. De meest kritische parameters zijn in het bijzonder de periodiciteit van het blokcopolymeer (BCP) en de BCP‑filmdikte. Wat defectiviteit betreft toont een combinatie van optische inspectie en ebeam-review aan dat zowel de annealingtemperatuur van het BCP als de chemie en geometrie van het gidspatroon een sleutelrol spelen. Tot slot werd een vergelijkende studie uitgevoerd tussen onze EUV + DSA‑procesflow (1X DSA) en de eerdere ArFi + DSA‑procesflow (3X DSA), die beide patronen met dezelfde resolutie produceren. De resultaten tonen aan dat het volledig geleide patroon van 1X DSA leidt tot meer uniformiteit, lagere lijnruwheid en snellere assemblagekinetiek. Als gevolg van deze snelle assemblage kunnen DSA‑specifieke dislocatiedefecten volledig worden geëlimineerd in EUV + DSA patroonvorming. Verder werd het vermogen van EUV + DSA tot patroonrectificatie onderzocht door de EUV helingswaarschijnlijkheid van DSA te bestuderen. Kunstmatig aangebrachte EUV‑defecten vormden hiervoor een praktische test. DSA kan het lijnpatroon effectief herstellen voor alle stochastische EUV‑problemen en andere EUV‑defecten tot drie periodes groot, en dit binnen drie minuten. Een belangrijke bijdrage aan het herstel van EUV‑defecten, en dus aan de beperking van defecten in het BCP‑patroon, wordt geleverd door een vergelijkbare pitch van BCP en gidspatroon, hogere BCP‑annealingtemperaturen en een sterkere sturing door het gidspatroon. Een andere kritische parameter is opnieuw de BCP‑filmdikte: een dikkere BCP film elimineert alle onderzochte kunstmatige EUV‑defecten in het BCP‑patroon. Om EUV + DSA geschikt te maken voor toepassing in productie moet de productiviteit van deze procesflow verder worden verhoogd. Resist‑geassisteerde DSA blijkt veelbelovend, en een succesvol gidspatroon voor PS‑b‑PMMA‑DSA‑patterning is ontwikkeld bestaande uit een dunne laag gepatroneerde EUV Multi‑Trigger Resist, neutraal ten opzichte van beide blokken, op een onderlaag van vernet polystyreen. Samengevat toont dit onderzoek aan dat de combinatie van EUV‑lithografie en DSA een veelbelovende route vormt om toekomstige chipstructuren nog kleiner en kwalitatiever te maken. Hoewel de vereisten voor grootschalige productie nog niet zijn bereikt, worden verschillende pistes voorgesteld om zowel de patroonvormings­prestatie als de productiviteit van EUV + DSA te verbeteren. Deze inzichten kunnen worden toegepast bij het ontwerp van EUV + DSA voor toekomstige toepassingen.