作者： JAE UK LEE和IMEC RYOUNG-HAN KIM博士，DAVID ABERCROMBIE，REHAB KOTB ALI和MENTOR的AHMED HAMED-FATEHY

自對(duì)準(zhǔn)多圖案化工藝已成為最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的必要條件，在傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上，無(wú)論使用何種光刻技術(shù)，傳統(tǒng)的光刻蝕刻多圖案化工藝都開(kāi)始遇到對(duì)準(zhǔn)控制問(wèn)題。由于自對(duì)準(zhǔn)流程與傳統(tǒng)流程相比有很大不同，并且更為復(fù)雜，因此Mentor與IMEC合作，為兩個(gè)鑄造廠和設(shè)計(jì)公司的工程師提供了內(nèi)部了解三個(gè)生產(chǎn)自對(duì)準(zhǔn)流程（SADP，SAQP和SALELE）的信息。通過(guò)分步說(shuō)明，我們向您解釋并顯示了確保在當(dāng)今最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)中確保布局保真度所需的自對(duì)準(zhǔn)模式創(chuàng)建的復(fù)雜性。

當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)達(dá)到20 nm工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，他們面臨著新的制造挑戰(zhàn)。極紫外（EUV）光刻技術(shù)仍未投入生產(chǎn)，并且使用的193i光刻技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確解析如此小的布局。解決方案是引入多圖案化，該過(guò)程是在幾個(gè)掩模之間劃分布局，從而在要素之間提供足夠的光刻間距，以實(shí)現(xiàn)可行的良率解決方案。最初，雙圖案（DP）光刻-平版蝕刻（LELE）工藝提供了足夠的可制造性。隨著行業(yè)轉(zhuǎn)移到較小的節(jié)點(diǎn)，DP LELE不再適合某些層，因此需要三重或四重圖案化（TP / QP）光刻法（LE n）工藝來(lái)確保可制造性。

但是，所有LE n多圖案化工藝的主要關(guān)注點(diǎn)是對(duì)齊控制。在這些工藝節(jié)點(diǎn)上，實(shí)際上不可能在多個(gè)掩模之間實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，這使得難以獲得所需的產(chǎn)量。EUV光刻技術(shù)的出現(xiàn)最終提供了新的分辨率功能，因此許多使用TP或QP和深紫外（DUV）光刻技術(shù)的工藝層都經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，以使用單個(gè)EUV掩模，但是即使在最小的節(jié)點(diǎn)上，該工藝也面臨著分辨率難題。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，整個(gè)行業(yè)的趨勢(shì)是朝著采用自對(duì)準(zhǔn)多圖案工藝的方向發(fā)展，其中使用制造工藝本身來(lái)創(chuàng)建所需的布局。

最常見(jiàn)的自對(duì)準(zhǔn)多重圖案化技術(shù)稱為自對(duì)準(zhǔn)雙重圖案（SADP）。SADP中使用的技術(shù)也可以很容易地?cái)U(kuò)展到自對(duì)準(zhǔn)四重圖案（SAQP）。我們將描述SADP / SAQP流程的工作方式，并解釋這些流程所需的塊遮罩（有時(shí)稱為剪切）遮罩的一些選項(xiàng)。然后，我們將介紹另一個(gè)過(guò)程，稱為自對(duì)準(zhǔn)LELE（SALELE），該過(guò)程結(jié)合了自對(duì)準(zhǔn)多圖案和LELE過(guò)程的各個(gè)方面。IMEC和Mentor一直在共同努力，以創(chuàng)建，優(yōu)化和設(shè)計(jì)使能SALELE流程，與SADP / SAQP流程相比，它具有一些可觀的優(yōu)勢(shì)。

自對(duì)準(zhǔn)多圖案

一般而言，所有自對(duì)準(zhǔn)多圖案化過(guò)程均包含以下步驟：

• 打印心軸軌道。
• 在印刷的心軸圖案的側(cè)面上增加側(cè)壁。
• 移除心軸圖案。
• 在側(cè)壁之間開(kāi)發(fā)最終制造的圖案。
• 添加電介質(zhì)塊以在最終目標(biāo)中創(chuàng)建所需的尖端到尖端的間距。

自對(duì)準(zhǔn)雙圖案

SADP工藝背后的基本思想與DP LELE的基本思想相同-每隔一行以所需間距的兩倍打印一次，以適應(yīng)光刻限制。但是，SADP工藝不是使用另一個(gè)掩模來(lái)印刷第二組交錯(cuò)線，而是使用沉積和蝕刻工藝來(lái)創(chuàng)建它們，這些沉積和蝕刻工藝不僅可以創(chuàng)建第二條線，而且還可以自動(dòng)對(duì)齊這些第二條線，而無(wú)需借助光刻技術(shù)［1，2］。雖然還有第二個(gè)光刻操作，但它用于對(duì)塊/切割蒙版進(jìn)行成像，以定義線條中尖端到尖端的間隙，從而形成最終形狀。讓我們來(lái)看一下基本的SADP流程。

任何多圖案化過(guò)程的第一階段是分解或劃分布局。如圖1所示，SADP分解過(guò)程開(kāi)始于將目標(biāo)多邊形（a）轉(zhuǎn)換為心軸軌跡和非心軸軌跡（b）。所有目標(biāo)形狀都必須具有對(duì)稱的光柵（軌道之間的間距相等），并且與軌道完全對(duì)齊。在SADP制造過(guò)程中，將虛擬金屬添加到所需的目標(biāo)，以將所有目標(biāo)線延伸到邊界。在創(chuàng)建軌跡之后，屏蔽（c）形狀將在目標(biāo)形狀和虛擬金屬之間創(chuàng)建所需的隔離（注意：必須仍然提取此非活性填充物以測(cè)量其對(duì)最終設(shè)計(jì)的電容影響）。

圖1 SADP分解：（a）輸入目標(biāo)，（b）將輸入目標(biāo)分解為心軸和非心軸軌道，（c）添加塊遮罩。

可以使用單個(gè)掩膜或多個(gè)掩膜（即，一個(gè)用于心軸軌道的塊掩膜，另一個(gè)用于非心軸軌道的掩膜）印刷介電塊，以定義軌道的活性金屬部分（1c）的線端。SADP分解過(guò)程和獲得干凈的可制造布局的推薦程序已在行業(yè)文獻(xiàn)中進(jìn)行了廣泛的討論［3，4］。

下一階段是制造。如圖2所示，SADP的制造過(guò)程包括三個(gè)步驟：

• 打印心軸軌跡并將其轉(zhuǎn)移到硬掩模上。
• 在心軸磁道上共形沉積電介質(zhì)墊片。

自頂向下蝕刻電介質(zhì)間隔物以打開(kāi)心軸軌道和下層，將剩余的電介質(zhì)間隔物作為側(cè)壁抵靠在心軸形狀上。

圖2 SADP的制造過(guò)程：（a）硬掩模上的心軸線，（b）電介質(zhì)間隔物沉積，（c）蝕刻以打開(kāi)心軸和底層的電介質(zhì)間隔物。使用SEMulator3D生成的圖像［10］

側(cè)壁之間的空間成為非心軸軌道。由于心軸軌道的間距是所需間距的兩倍，因此無(wú)需光刻即可在所有軌道之間實(shí)現(xiàn)最終的正確間距。該制造過(guò)程使光刻過(guò)程放松，并使鑄造廠能夠以高分辨率印刷掩模。下一步是添加塊蒙版形狀以在目標(biāo)形狀之間創(chuàng)建所需的隔離。但是，在進(jìn)行此步驟之前，讓我們先了解一下SAQP流程，并了解它與SADP流程的相似之處和不同之處。

自對(duì)準(zhǔn)四重圖案

要打印更小的間距，請(qǐng)使用SAQP。在此過(guò)程中，以四倍的間距打印心軸芯軌道，并執(zhí)行兩次連續(xù)的側(cè)壁操作以獲得最終間距。圖3展示了SAQP流程的主要步驟：

• 打印心軸芯線并將其轉(zhuǎn)移到硬掩模上。
• 使用原子層沉積（ALD）保形地沉積第一介電間隔物（側(cè)壁）。
• 自上而下蝕刻介電墊片，以去除除芯棒芯線周圍殘留的介電墊片側(cè)壁以外的所有材料。
• 蝕刻掉芯棒芯線和底層的硬掩膜，在未被電介質(zhì)墊片覆蓋的位置上形成第二根芯棒線。
• 使用ALD保形地沉積第二介電間隔物。

自頂向下蝕刻第二電介質(zhì)間隔物以打開(kāi)第二心軸和底層。第二介電間隔物側(cè)壁之間的線為最終金屬線產(chǎn)生正確的間距。

圖3 SAQP的制造過(guò)程：（a）硬掩模上的心軸線，（b）第一電介質(zhì)間隔物沉積，（c）蝕刻電介質(zhì)間隔物以打開(kāi)心軸和底層，（d）蝕刻心軸并將第一間隔物圖案轉(zhuǎn)移到底層中，是第二心軸，（e）在去除第一電介質(zhì)間隔物之后在第二硬掩模周圍沉積第二電介質(zhì)間隔物，（f）蝕刻電介質(zhì)間隔物以打開(kāi)第二心軸和底層。使用SEMulator3D生成的圖像［10］

自對(duì)準(zhǔn)塊

現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建了自動(dòng)對(duì)齊的軌道，我們可以開(kāi)始使用一個(gè)或多個(gè)塊蒙版創(chuàng)建最終布局的任務(wù)。用塊掩膜創(chuàng)建的介電塊（有時(shí)稱為切口，視過(guò)程而定）將連續(xù)的走線分成獨(dú)立的部分。使用單個(gè)塊掩模的挑戰(zhàn)在于光刻工藝限制了塊形狀之間的最小間距，這限制了合法的線端位置。一種解決方案是使用LELE或LE 3創(chuàng)建塊遮罩（或多個(gè)遮罩）的過(guò)程，以在塊形狀之間留出更緊密的空間。但是，一個(gè)更密集，更可制造的解決方案是使用兩個(gè)選擇性塊蒙版-一個(gè)用于剪切心軸線，另一個(gè)用于剪切非心軸線［8，9］。通過(guò)在側(cè)壁之間使用兩種不同的材料，該選擇性阻擋掩模方法起作用。如圖3（f）所示，我們已經(jīng)有了第二種心軸材料，并且存在可以用另一種材料填充的間隙。結(jié)果，這些材料中的每一種都可以充當(dāng)另一種材料的蝕刻停止層。

如圖4所示，自對(duì)準(zhǔn)塊（SAB）過(guò)程從SADP / SAQP制造步驟的結(jié)果開(kāi)始，并包括以下步驟：

• 分別用硬掩模和光致抗蝕劑涂覆晶片。
• 打印第一個(gè)遮罩并將其轉(zhuǎn)移到硬遮罩上。圖4（b）示出了去除光致抗蝕劑之后的圖案。在此步驟中，使用帶有EUV暗場(chǎng)掩模的正色調(diào)顯影（PTD）工藝來(lái)生成孔圖案。此過(guò)程是選擇性的，因?yàn)樗鼉H在非心軸磁道上添加了塊。
• 用另一個(gè)硬掩膜涂覆晶片，以填充塊的位置（孔）。
• 將硬掩模蝕刻回芯軸線的頂部。
• 去除硬掩模（僅保留塊形狀）。
• 分別用硬掩模和光致抗蝕劑涂覆晶片。
• 將光致抗蝕劑暴露在第二塊掩模上。
• 打印第二個(gè)遮罩并將其轉(zhuǎn)移到硬遮罩上。這次，負(fù)色顯影（NTD）與EUV暗場(chǎng)掩模一起使用以創(chuàng)建柱子而不是孔。
• 在第二個(gè)遮罩未覆蓋的位置蝕刻心軸線。

在去除光致抗蝕劑和硬掩模之后剩余的圖案代表第二塊掩?！，F(xiàn)在，兩個(gè)掩模完全轉(zhuǎn)移到晶圓上。打開(kāi)下面的層以形成溝槽，該溝槽將被金屬填充以用于互連，除非存在塊形狀（藍(lán)色或紅色形狀）。

圖4 SAB的制造過(guò)程：（a）用硬掩模和光致抗蝕劑涂覆晶片，（b）將圖案轉(zhuǎn)印到硬掩模上，（c）用另一種硬掩模材料涂覆晶片，（d）回蝕硬掩模材料，（e）剝離第一硬掩模，（f）用硬掩模和光致抗蝕劑涂覆晶片，（g）將圖案轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑和硬掩模，（h）晶片上的最終塊圖案。使用SEMulator3D生成的圖像［10］

圖5a顯示了最后一層中的轉(zhuǎn)移圖案，其中包含由阻隔掩模和側(cè)壁（電介質(zhì)）創(chuàng)建的位置。該層中的開(kāi)口是最終的金屬位置（目標(biāo)形狀和添加的虛擬金屬）。為了形成互連金屬，在最后一層的開(kāi)口處形成溝槽，并用金屬填充（圖5b）。

圖5（a）最終層中的轉(zhuǎn)移圖案，（b）最終制造的形狀。使用SEMulator3D生成的圖像［10］

對(duì)于新節(jié)點(diǎn)，縮小到更緊密的間距通常會(huì)增加過(guò)程變化，這增加了對(duì)塊可打印性的限制（塊到塊的距離受到限制，并且需要最小的塊空間規(guī)則）。塊形狀的放置必須使用不同的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，例如滑動(dòng)，合并和放置某些塊蒙版形狀［3，4］。但是，我們?nèi)匀槐仨毧紤]由于虛設(shè)金屬而導(dǎo)致的額外電容。

本系列的第2部分介紹了SALELE流程，并比較了本系列涵蓋的三個(gè)流程中每個(gè)流程的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。

參考

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• 半導(dǎo)體解決方案概述，Coventor，Inc.

Jae Uk Lee是計(jì)算光刻領(lǐng)域的高級(jí)研發(fā)工程師，包括源掩模優(yōu)化/光學(xué)接近度校正以及IMEC的可制造性設(shè)計(jì)。

Ryoung-han Kim博士是IMEC物理設(shè)計(jì)/設(shè)計(jì)自動(dòng)化，OPC / RET和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)/卷帶的主管。

David Abercrombie是西門(mén)子公司Mentor的高級(jí)物理驗(yàn)證方法的程序經(jīng)理。

Rehab Kotb Ali是西門(mén)子Mentor的高級(jí)產(chǎn)品工程師，致力于先進(jìn)的物理驗(yàn)證技術(shù)。

Ahmed Hamed-Fatehy是西門(mén)子公司Mentor的RET產(chǎn)品的首席產(chǎn)品工程師。

編輯：hfy