宋長庚

(上海交通大學(xué)，上海200240)

SADP工藝中一類特殊二維圖形的分解處理

宋長庚

(上海交通大學(xué)，上海200240)

自對準(zhǔn)雙重圖型（SADP）技術(shù)廣泛應(yīng)用于28 nm以下節(jié)點邏輯電路制造工藝和存儲器制造工藝。與其他雙重圖形技術(shù)（LELE，LPLE）相比，在處理二維圖形分解時，SADP面臨更復(fù)雜的要求。針對一種簡單的二維圖形，介紹了3種圖形分解方法，可以有效改善線寬和對準(zhǔn)工藝窗口。

自對準(zhǔn)雙重圖形；二維圖形；圖形分解；工藝窗口

1 引言

雙重圖形技術(shù)（double patterning）可以將圖形分辨率提高一倍，因此廣泛應(yīng)用于28 nm以下技術(shù)節(jié)點的邏輯電路工藝和存儲器制造工藝中。雙重圖形需要使用兩張掩模板進行兩次曝光，必須將設(shè)計圖形分解到兩張掩模板，使兩次曝光的圖形相互配合形成原始設(shè)計圖形。因此必須研究如何將原始設(shè)計圖形分解到兩張掩模板。在SADP工藝中，如果只需要制造一維連續(xù)的線/間距圖形——如NAND flash中的字線、位線——則不需要進行圖形分解。針對一種簡單的二維圖形，本文介紹了3種圖形分解方法，可以有效改善線寬和對準(zhǔn)工藝窗口。

2 SADP工藝和問題的提出

2.1 SADP工藝

在文獻[1]中介紹了SADP工藝和這種工藝的特點，驗證使用了它的線寬一致性（CDU）和邊緣粗糙度（LER）以及可重復(fù)性。各種SADP工藝的流程類似，只是使用的薄膜堆棧材料不同。本文所采用的SADP工藝流程如圖1所示。首先制作核心圖形（core），其節(jié)距為P1；然后利用原子層沉積（ALD）的方式在核心圖形側(cè)壁形成均勻一致的側(cè)墻（Spacer）；再通過干法蝕刻工藝去除頂部和底部的ALD層和核心圖形，形成由側(cè)壁構(gòu)成的圖形。此時線節(jié)距P2是核心圖形線節(jié)距P1的一半，實現(xiàn)了雙重圖形的目的。側(cè)壁圖形可以根據(jù)需要繼續(xù)向下層基底傳遞，在目標(biāo)層薄膜制作圖形。

圖1 SADP工藝流程、俯視圖和截面圖

由圖1可見，SADP工藝非常適合制造節(jié)距均勻一致的一維連續(xù)圖形，并且不需要第二次光刻。但是當(dāng)需要處理圖形頭尾的環(huán)形時，仍然需要第二次光刻工藝。一般情況下這里的第二次光刻工藝的線寬，對準(zhǔn)要求遠(yuǎn)沒有第一次光刻工藝要求嚴(yán)苛。在NAND flash的存儲單元由高密度重復(fù)單元組成，字線（bit line）、位線（word line）等結(jié)構(gòu)特別適合SADP工藝[2]。處理頭尾環(huán)形圖形的第二次光刻將合并到外圍電路掩模板上。

2.2 SADP工藝中的簡單二維圖形處理方式和工藝窗口

如果目標(biāo)圖形不是均勻一致連續(xù)的一維圖形，就必須對圖形進行分解，使用兩次光刻工藝，同時對兩次光刻工藝的線寬(Critical Dimension,CD)、對準(zhǔn)(Overlap)有非常高的要求。

如圖2所示的簡單二維圖形，在一維連續(xù)圖形的基礎(chǔ)上要切斷某些線，要求第二次光刻工藝專門處理此區(qū)域，本文稱為“切斷圖形”或“cut mask”。而由圖2（b）可見，此時對切斷圖形的線寬控制和對準(zhǔn)提出嚴(yán)苛的要求，工藝窗口為一側(cè)壁寬帶的一半。對于先進工藝，如果側(cè)壁寬度只有20 nm，留給線寬和對準(zhǔn)的工藝誤差窗口只有±10 nm。

圖2 簡單二維圖形處理方式

3 圖形分解設(shè)計和討論

針對以上提出的線寬和對準(zhǔn)工藝窗口問題，本文提出以下3種設(shè)計方案，并將討論它們的優(yōu)缺點。3.1切斷奇數(shù)根線

本文提出的設(shè)計方案從核心圖形入手，配合切斷圖形，實現(xiàn)切斷指定線的同時增大切斷圖形線寬和對準(zhǔn)誤差窗口的目的。

方案1的核心圖形和切斷圖形如圖3所示。比較方案1和前述處理方式，提前把核心圖形切斷，在形成ALD側(cè)墻圖形后，配合切斷圖形實現(xiàn)切斷指定線條。側(cè)壁圖形和切斷圖形配合過程見圖4。

圖3 第一種核心圖形與切斷圖形配合方案

圖4 第一種側(cè)墻圖形與切斷圖形配合

方案2的核心圖形和切斷圖形如圖5所示。比較方案2和前述處理方式，提前把核心圖形連接起來，在形成ALD側(cè)墻圖形后，配合切斷圖形實現(xiàn)切斷指定線條。側(cè)壁圖形和切斷圖形配合過程見圖6。

3.2 方案1和方案2的優(yōu)缺點

方案1和方案2的思想類似，都是利用SADP工藝在圖形末端形成環(huán)形側(cè)墻結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，在切斷處利用此環(huán)形側(cè)墻，有效增大了切斷圖形的線寬和對準(zhǔn)誤差窗口。與圖2所示的基本切斷方案相比，新的設(shè)計方案把線寬和對準(zhǔn)誤差窗口從±0.5 F提高到±1.5 F。

但是方案1和2都只能切斷奇數(shù)根線，即切斷1根、3根、5根等。兩種設(shè)計方案都不能切斷偶數(shù)根線。如果需要切斷2根、4根、6根線等，需要設(shè)計新的核心圖形和切斷圖形配合。

方案1和方案2的不同之處在于，它們切斷線的起始位置不同。方案1的起始線只能是奇數(shù)，即方案1可以從第3根、第5根等開始，切斷連續(xù)奇數(shù)根（3根、5根等）線。以圖4為例，從第5根（奇數(shù)）開始，切斷了第5、6、7共3根（奇數(shù)）線。方案2的起始位置只能是偶數(shù)。以圖6為例，從第6根（偶數(shù)）開始，切斷了第6、7、8共3根（奇數(shù)）線。

圖5 第二種核心圖形與切斷圖形配合方案

圖6 第二種側(cè)墻圖形與切斷圖形配合

3.3 切斷偶數(shù)根線

以上討論可以知道，需要一種新的設(shè)計方案實現(xiàn)切斷偶數(shù)根線，本文提出圖7、圖8所示的設(shè)計方案。此設(shè)計方案可以補充方案1和方案2的不足，實現(xiàn)切斷偶數(shù)根線的目的。同時由于對稱性，此方案可以從任意位置（從奇數(shù)根或從偶數(shù)根）開始切斷。

圖7切斷偶數(shù)根線——核心圖形和切斷圖形

圖8 切斷偶數(shù)根線——側(cè)墻圖形與切斷圖形配合方案

4 實驗驗證

按照上述設(shè)計，設(shè)計制作了包括3種新設(shè)計方案的掩模板并進行流片驗證。

圖9分別對應(yīng)3種設(shè)計方案在半導(dǎo)體晶圓上經(jīng)過光刻、蝕刻工藝后得到的核心圖形、經(jīng)過側(cè)壁蝕刻工序后的圖形和最終得到的圖形。

從最終圖形可以看到，溝槽被切斷的最中間圖形發(fā)生了變形。這是由于切斷圖形（cut mask）與核心圖形之間的對準(zhǔn)存在偏差，以及切斷圖形本身線寬（CD）控制不夠好。但是可以看到，即使發(fā)生了對準(zhǔn)和線寬控制問題，新的設(shè)計依然可以保證實現(xiàn)切斷指定線的目的。

與正常圖形相比，新的設(shè)計引入了二維圖形，使得鄰近圖形的線寬受到影響，問題嚴(yán)重時需要新的光學(xué)修正（OPC）過程進行修正，以保證所有圖形線寬滿足規(guī)格要求。

5 結(jié)論

在SADP工藝中，如果只需要制造一維連續(xù)的線/間距圖形，如NAND flash中的字線、位線，不需要進行圖形分解。針對一種簡單的二維圖形，本文介紹了3種圖形分解方法，利用SADP工藝在圖形末端形成環(huán)形側(cè)墻結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，在切斷處利用此環(huán)形側(cè)墻，有效增大了切斷圖形的線寬和對準(zhǔn)誤差窗口。與圖2所示的基本切斷方案相比，3種新設(shè)計方案把線寬和對準(zhǔn)誤差窗口從±0.5F提高到±1.5F。通過制作掩模板和工藝流程，驗證了本文提出的3種設(shè)計方案。

本文提出的設(shè)計方案改善了線寬和對準(zhǔn)誤差工藝窗口，同時使核心圖形復(fù)雜化，在進行OPC修正時需要特殊處理。

[1]Chris Bencher,Yongmei Chen,Huixiong Dai,Warren Montgomery,Lior Huli.22 nm half-pitch patterning by CVD spacer self alignment double patterning(SADP)[C]. Proc SPIE 6924,Optical Microlithography XXI,69244E, March 07,2008.

[2]Yi-Shiang Chang,Meng-Feng Tsai,Chia-Chi Lin,Jun-Cheng Lai.Pattern decomposition and process integration of self-aligned double patterning for 30 nm node NAND FLASH process and beyond[C].Proc SPIE 7274,Optical Microlithography XXII,72743E,March 16,2009.

Pattern Decomposition Method for Special 2D Pattern in SADP Process

SONG Changgeng
（Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China）

Self-Aligned Double Patterning(SADP)has long been applied in advanced technologies beyond 28nm node,both logic and Memory.Compared to other double pattern technologies(LELE,LPLE),SADP faces a more complex problem of pattern decomposition when making 2D patterns.In the paper,3 kinds of layout decomposition methods are introduced for a simple 2D pattern.The methods effectively improves CD and OVL process window of the 1st and 2nd masks.

SADP;2D pattern;layout decomposition;process window

圖9 3種設(shè)計方案在晶圓上經(jīng)光刻、蝕刻工藝后的核心圖形、經(jīng)側(cè)壁蝕刻工序后圖形和最終得到圖形

TN305.7

A

1681-1070（2017）02-0040-03

2016-9-15