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

自對準多圖案化工藝已成為最先進節點的必要條件，在傳統節點上，無論使用何種光刻技術，傳統的光刻蝕刻多圖案化工藝都開始遇到對準控制問題。由于自對準流程與傳統流程相比有很大不同，并且更為復雜，因此Mentor與IMEC合作，為兩個鑄造廠和設計公司的工程師提供了內部了解三個生產自對準流程（SADP，SAQP和SALELE）的信息。通過分步說明，我們向您解釋并顯示了確保在當今最先進的節點中確保布局保真度所需的自對準模式創建的復雜性。

當半導體行業達到20 nm工藝節點時，他們面臨著新的制造挑戰。極紫外（EUV）光刻技術仍未投入生產，并且使用的193i光刻技術無法準確解析如此小的布局。解決方案是引入多圖案化，該過程是在幾個掩模之間劃分布局，從而在要素之間提供足夠的光刻間距，以實現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。隨著行業轉移到較小的節點，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）工藝來確保可制造性。

但是，所有LE n多圖案化工藝的主要關注點是對齊控制。在這些工藝節點上，實際上不可能在多個掩模之間實現精確對準，這使得難以獲得所需的產量。EUV光刻技術的出現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）光刻技術的工藝層都經過重新設計，以使用單個EUV掩模，但是即使在最小的節點上，該工藝也面臨著分辨率難題。面對這些挑戰，整個行業的趨勢是朝著采用自對準多圖案工藝的方向發展，其中使用制造工藝本身來創建所需的布局。

最常見的自對準多重圖案化技術稱為自對準雙重圖案（SADP）。SADP中使用的技術也可以很容易地擴展到自對準四重圖案（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（有時稱為剪切）遮罩的一些選項。然后，我們將介紹另一個過程，稱為自對準LELE（SALELE），該過程結合了自對準多圖案和LELE過程的各個方面。IMEC和Mentor一直在共同努力，以創建，優化和設計使能SALELE流程，與SADP / SAQP流程相比，它具有一些可觀的優勢。

自對準多圖案

一般而言，所有自對準多圖案化過程均包含以下步驟：

• 打印心軸軌道。
• 在印刷的心軸圖案的側面上增加側壁。
• 移除心軸圖案。
• 在側壁之間開發最終制造的圖案。
• 添加電介質塊以在最終目標中創建所需的尖端到尖端的間距。

自對準雙圖案

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，以適應光刻限制。但是，SADP工藝不是使用另一個掩模來印刷第二組交錯線，而是使用沉積和蝕刻工藝來創建它們，這些沉積和蝕刻工藝不僅可以創建第二條線，而且還可以自動對齊這些第二條線，而無需借助光刻技術［1，2］。雖然還有第二個光刻操作，但它用于對塊/切割蒙版進行成像，以定義線條中尖端到尖端的間隙，從而形成最終形狀。讓我們來看一下基本的SADP流程。

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

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

可以使用單個掩膜或多個掩膜（即，一個用于心軸軌道的塊掩膜，另一個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分解過程和獲得干凈的可制造布局的推薦程序已在行業文獻中進行了廣泛的討論［3，4］。

下一階段是制造。如圖2所示，SADP的制造過程包括三個步驟：

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

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

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

側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，因此無需光刻即可在所有軌道之間實現最終的正確間距。該制造過程使光刻過程放松，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形狀之間創建所需的隔離。但是，在進行此步驟之前，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。

自對準四重圖案

要打印更小的間距，請使用SAQP。在此過程中，以四倍的間距打印心軸芯軌道，并執行兩次連續的側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間隔物以打開第二心軸和底層。第二介電間隔物側壁之間的線為最終金屬線產生正確的間距。

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

自對準塊

現在已經創建了自動對齊的軌道，我們可以開始使用一個或多個塊蒙版創建最終布局的任務。用塊掩膜創建的介電塊（有時稱為切口，視過程而定）將連續的走線分成獨立的部分。使用單個塊掩模的挑戰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創建塊遮罩（或多個遮罩）的過程，以在塊形狀之間留出更緊密的空間。但是，一個更密集，更可制造的解決方案是使用兩個選擇性塊蒙版-一個用于剪切心軸線，另一個用于剪切非心軸線［8，9］。通過在側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。結果，這些材料中的每一種都可以充當另一種材料的蝕刻停止層。

如圖4所示，自對準塊（SAB）過程從SADP / SAQP制造步驟的結果開始，并包括以下步驟：

• 分別用硬掩模和光致抗蝕劑涂覆晶片。
• 打印第一個遮罩并將其轉移到硬遮罩上。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暗場掩模的正色調顯影（PTD）工藝來生成孔圖案。此過程是選擇性的，因為它僅在非心軸磁道上添加了塊。
• 用另一個硬掩膜涂覆晶片，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。
• 打印第二個遮罩并將其轉移到硬遮罩上。這次，負色顯影（NTD）與EUV暗場掩模一起使用以創建柱子而不是孔。
• 在第二個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模。現在，兩個掩模完全轉移到晶圓上。打開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（藍色或紅色形狀）。

圖4 SAB的制造過程：（a）用硬掩模和光致抗蝕劑涂覆晶片，（b）將圖案轉印到硬掩模上，（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移圖案，其中包含由阻隔掩模和側壁（電介質）創建的位置。該層中的開口是最終的金屬位置（目標形狀和添加的虛擬金屬）。為了形成互連金屬，在最后一層的開口處形成溝槽，并用金屬填充（圖5b）。

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

對于新節點，縮小到更緊密的間距通常會增加過程變化，這增加了對塊可打印性的限制（塊到塊的距離受到限制，并且需要最小的塊空間規則）。塊形狀的放置必須使用不同的技術進行優化，例如滑動，合并和放置某些塊蒙版形狀［3，4］。但是，我們仍然必須考慮由于虛設金屬而導致的額外電容。

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流程中每個流程的相對優點。

參考

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• 半導體解決方案概述，Coventor，Inc.

Jae Uk Lee是計算光刻領域的高級研發工程師，包括源掩模優化/光學接近度校正以及IMEC的可制造性設計。

Ryoung-han Kim博士是IMEC物理設計/設計自動化，OPC / RET和測試現場/卷帶的主管。

David Abercrombie是西門子公司Mentor的高級物理驗證方法的程序經理。

Rehab Kotb Ali是西門子Mentor的高級產品工程師，致力于先進的物理驗證技術。

Ahmed Hamed-Fatehy是西門子公司Mentor的RET產品的首席產品工程師。

編輯：hfy