利用超平坦高純度矽載體基板優化GAA架構的多層微影技術
引言：蓋爾運動協會時代的膠印挑戰
從FinFET到環柵（GAA）奈米片架構的轉變，代表了2奈米以下半導體製造領域最根本的典範轉移之一。 GAA電晶體透過將柵極電極完全包裹在水平矽奈米片堆疊層上，實現了更優異的靜電控制、更小的亞閾值擺幅和更優化的驅動電流。然而，三維尺寸的縮小為先進光刻技術帶來了嚴峻的挑戰。
在典型的GAA製造流程中，製造多層Si/SiGe犧牲超晶格需要完美的多層光刻套準。由於特徵尺寸正縮小到埃級，極紫外線（EUV）光刻的製程窗口已顯著收窄。在這種情況下，即使基板上存在亞奈米級的幾何缺陷，也會導致嚴重的聚焦偏差和套刻漂移。本白皮書探討如何利用超平坦、高純度的基板來克服這些缺陷。 優質矽晶圓s 作為臨時載體或永久基底可以穩定多層光刻基線，並保障先進節點的良率。
1.光學真相：基底幾何形狀如何破壞景深
在先進的光刻掃描儀中，光學系統的景深（DoF）可以用經典的瑞利判據來定義：
其中 λ 為曝光波長（極紫外光刻為 13.5 nm），NA 為數值孔徑。隨著高數值孔徑極紫外光刻系統將數值孔徑從 0.33 提升至 0.55 以列印 GAA 子結構，可用景深呈指數級縮小至兩位數奈米級。
如果支撐 GAA 裝置晶圓的載體矩陣表現出較差的幾何指標——特別是較高的總厚度變化 (TTV) 或較差的正面最小二乘範圍 (SFQR)——則掃描儀的真空吸盤無法完全壓平組件。
- 載體輪廓上的局部楔形、凸起或微觀形貌會使活性奈米片暴露平面偏離焦點。
- 這種焦點偏差會導致關鍵尺寸 (CD) 變化、線邊緣粗糙度 (LER) 退化和圖案模糊，最終破壞 GAA 奈米片堆疊的垂直輪廓。
2.超晶格光刻中套刻誤差的機制
GAA製造製程需要連續進行沉積、微影和選擇性刻蝕，以形成交替的矽通道和犧牲鍺腔。這種多層光刻製程要求套刻精度小於1.5奈米。
當晶圓反覆經歷高能量等離子體蝕刻、原子層沉積 (ALD) 和化學氣相沉積 (CVD) 等製程時，會累積大量的化學膜應力。如果將先進邏輯晶圓暫時鍵結到低層載體或熱膨脹係數 (CTE) 不匹配的載體（例如石英或玻璃）上，則在熱處理過程中會產生嚴重的剪切應力。這些應力會導致局部面內位移 (IPD) 或晶圓尺寸誤差。當晶圓返回掃描器進行後續層曝光時，對準標記會發生空間畸變，導致災難性的多層套刻錯位和垂直閘極觸點斷裂。
3.工程解決方案：超平坦高純度矽策略
為了最大限度地擴大 GAA 節點的光刻製程窗口，業界正在轉向工程化矽基板生態系統，以最大限度地減少幾何和化學變數。
利用低TTV優質矽載體基板
以超平整的優質矽基板取代其他玻璃基板作為載體基質，可徹底消除熱膨脹係數不匹配的問題。由於載體基板和 GAA 裝置晶圓在所有熱處理閾值範圍內均以相同的速率膨脹和收縮，因此可有效降低面內應力累積。這種結構均勻性可確保在數十次光刻循環中保持對準標記的一致性。
利用進階虛擬基板隔離掃描工具變數
在將價值數百萬美元的活性產品晶圓送入高數值孔徑（NA）極紫外線（EUV）掃描器之前，光刻工程師必須繪製出掃描器卡盤的指紋圖譜。部署超潔淨 矽虛擬晶片此方法能夠對步進式光刻機的調平系統進行精確校準。透過消除基底背景誤差，工程師可以完全隔離、映射和優化 GAA 奈米片陣列的光學聚焦參數。
利用精密熱氧化層平衡殘餘應力
為了消除多層Si/SiGe外延生長產生的複雜拉伸應力場，需要實施客製化方案。 熱氧化晶片載體背面的s起到了機械穩定器的作用。熱二氧化矽產生的精確壓縮應力起到結構配重的作用，使組件的整體形貌趨於平整，並拓寬了掃描儀的景深範圍。
4.2nm 以下 GAA 光刻技術指標要求
| 基板參數 | 傳統邏輯製造 | FSM 超薄 GAA 系列規格 | 直接光刻優勢 |
| 全球電視轉播 | ≤1.0微米 | ≤0.3微米 | 消除 300mm 掃描視野範圍內的全域焦平面傾斜。 |
| 局部SFQR（26×8mm位點） | ≤45 nm | ≤15 nm | 最大程度地利用高數值孔徑 EUV 局部景深 (DoF) 的製程視窗。 |
| 表面金屬純度 | ≤5×1010原子/公分2 | 10原子/公分2 | 防止靜電掃描器卡盤上的交叉污染。 |
| 前側緣滾落 (ERO) | 標準型材 | 超清晰（優化對焦） | 最大限度地提高晶圓邊界邊緣的可用晶片良率。 |
5.透過閉環基材回收實現成本效益
針對2nm以下GAA節點最佳化多層光刻和照明製程需要數百次曝光試驗、聚焦曝光矩陣（FEM）評估和套刻校準測試。每次光刻試驗都使用全新的優質晶圓在經濟上是不可行的。
透過整合專業的晶圓回收服務，封裝試生產線和邏輯晶片代工廠可以建立經濟高效、良率高的替代方案。廢棄的模擬結構和光阻塗層測試基板上的有機聚合物將被安全去除，並透過化學機械拋光 (CMP) 服務恢復至完美的整體平整度，並驗證其精度低於 1×10⁻⁶。10原子/公分2微量金屬純度。這確保了回收的載體可以返回掃描器環境，而不會對靜電吸盤造成顆粒或金屬污染。
常問問題
為什麼對於 GAA 多層光刻而言，SFQR 比全域 TTV 更為關鍵？
全球TTV衡量整個晶圓的總厚度變化，而SFQR（正面最小平方法範圍）則衡量局部掃描器曝光區域（26×8mm）內的平整度變化。由於掃描器在晶圓上動態移動並調整每個位置的焦距，因此局部SFQR值過低會直接導致局部焦距失效，使其成為先進節點光刻良率最關鍵的指標。
回收的矽載體能否滿足高數值孔徑 EUV 工具的表面要求？
是的。透過高精度膠體二氧化矽化學機械拋光（CMP製程），回收的矽載體可以達到小於0.15nm的表面微觀粗糙度（Ra）。這與原始晶圓的表面形貌相似，使其完全相容於先進的靜電吸附場。
背面熱氧化膜如何校正面內套刻誤差？
正面多層薄膜沉積會壓縮晶圓並導致其微翹曲，從而使細間距對準標記的位置發生空間偏移。在背面生長均勻的熱氧化層會產生相反的機械力，將對準標記拉回其原始空間位置，從而減少套刻對準失敗。
結論：為GAA節點建構光刻基礎
隨著半導體產業從FinFET架構向更高級的架構發展，GAA技術的成功取決於對亞奈米級物理參數的精確控制。穩定多層光刻對準、最大化高數值孔徑EUV微影的景深以及防止應力造成的套刻誤差，都需要近乎完美的基板結構。
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