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2024

科普分享|雙重與多重圖形技術

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雙重圖形技術是將193nm浸沒式光刻延伸至關鍵尺寸<=45nm的芯片制造關鍵技術。與非線性雙重曝光技術不同，雙重圖形技術不存在材料與產率方面的問題，已廣泛應用于先進半導體制造。雙重圖形技術采用不同的工藝技術，通過單次或兩次獨立曝光實現圖形轉移。該技術可以很方便地推廣到三重或四重圖形技術，但會增加成本。

光刻--刻蝕--光刻--刻蝕

通過順次進行兩次相互獨立的光刻與刻蝕，可將密集線空圖形轉移到基底材料上，這是最直接的方法。下圖展示了光刻--刻蝕--光刻--刻蝕(LELE)的工藝流程。該工藝目的就是在多晶硅片的氧化硅層上形成密集的線空圖形。使用硬掩模可方便地將圖形轉移至下層。硬掩模與基底材料之間的刻蝕選擇性通常會明顯優于光刻膠與基底材料之間的刻蝕選擇性。通過化學氣相沉積(CVD)，可沉積 SiN、SiON 和 TiN 等無機硬掩模材料。旋涂碳(SOC)等有機硬掩模材料是一種含碳量很高的聚合物，可以作為備選材料，提升平坦化能力。硬掩模不僅可用于LELE中，也常用于許多先進半導體制造工藝中。LELE工藝首先執行旋轉涂膠和標準光刻工藝。光刻工藝在光刻膠中產生半密集圖形，然后通過刻蝕將光刻膠圖形轉移到硬掩模上。接下來將光刻膠剝離，進行第二次圖形工藝。第二次圖形化工藝也從旋轉涂膠開始。第二次光刻采用的掩模圖形為位置發生偏移后的掩模圖形，在剛剛形成了圖形的硬掩模上(光刻膠中)形成半密集圖形。該圖形與第一次光刻產生的半密集圖形會錯開一定的位置，將硬掩模上圖形的密度翻倍。剝離光刻膠，將硬掩模上的圖形轉移到下層的氧化物層中，完成整套工藝。

光刻--凍結--光刻--刻蝕

光刻-凍結-光刻-刻蝕(LFLE)工藝，有時也被稱為光刻-硬化-光刻-刻蝕(LCLE)或光刻-光刻-刻蝕(LLE)。與LELE相比，LFLE減少了一步刻蝕工藝，降低了成本。典型的工藝流程如下圖所示。該工藝首先執行標準光刻工藝，形成半密集光刻膠線條圖形。與LELE工藝不同，這些光刻膠線條圖形不會被轉移到下層中，而是會被特殊處理，即凍結處理。經過凍結處理后，光刻膠線條對第二次光刻工藝不敏感。凍結工藝用到表面固化劑或熱固化光刻膠。另外，也可以采用波長為172nm的光對某些光刻膠材料進行泛曝光，使之失去活性。凍結步驟后，在已凍結的光刻膠上再次旋涂光刻膠。對新旋涂的光刻膠進行曝光，將偏移后的線條圖形曝光在光刻膠內，隨后顯影。第二次光刻工藝不會清除第一步凍結的光刻膠。這樣，第一次凍結住的光刻膠線條和第二次顯影后的光刻膠線條組成了后續用于刻蝕工藝的掩模。通過刻蝕工藝將圖形轉移到氧化硅層。最后剝離所有的光刻膠。LFLE 的工藝步驟比LELE 少，因此它的成本低、產率高，對設計的靈活性和套刻控制的需求與 LELE 相似。實際制造中，需要綜合考慮 LFLE 兩次光刻工藝之間及其與凍結步驟之間的相互影響。這些相互影響包括：第二次曝光過程中，第一次光刻形成的光刻膠圖形對光的散射，第一次光刻膠固化過程中的形貌變化;第一次光刻工藝形成的光刻膠圖形對第二次光刻膠旋涂工藝的影響;第一次光刻及固化工藝對 BARC 性能的影響;第二次光刻工藝使得第一次旋涂的部分光刻膠發生脫保護和顯影反應;光刻膠之間的混合和擴散等等。

自對準雙重圖形技術

如下圖所示，自對準雙重圖形(SADP)技術使用光刻膠作為犧牲層，在其左右兩側生成一對間隔層。首先使用標準的光刻工藝制作半密集線條。然后，通過化學氣相沉淀(CVD)將間隔層材料(例如SiN)均地沉積到光刻膠上。隨后，采用各向異性刻蝕去除間隔層材料。除了附著在犧牲層圖形側上的材料之外，其余的間隔材料都被刻蝕清除。最后，選擇性地清除光刻膠材料，用余下的間隔層作為掩模對基底進行刻蝕。SADP僅含一次光刻步驟，因此不會受到兩次光刻之間套刻誤差的影響。但是，間隔層材料的間距會受犧牲層圖形(也被稱為芯軸圖形，mandrel)的關鍵尺寸(CD)和側壁均勻性的影響。芯軸圖形CD的變化將改變間隔層圖形的周期，該現象稱為周期擺動(pitch walking)。下圖5.所示的工藝步驟也可以應用于具有其他幾何形狀的犧牲層圖形。沿著光刻形成的芯軸圖形的側壁形成間隔層，通過修剪曝光選擇性地去除某些間隔層圖形，可提高設計的靈活性。兩次SADP 工藝使得光刻圖形的周期進一步減小。將第一次 SADP 形成的間隔層作為第二次 SADP 的芯軸層，可實現自對準四重圖形(SAOP)技術。

雙重顯影技術

該技術分別對光刻膠的高劑量曝光區和低劑量曝光區進行顯影，可將圖形周期縮小一半以上。下圖描述了DTD 的基本原理。利用線空圖形對光刻膠曝光。光刻膠中酸的濃度介于最低值(藍色)和最高值(紅色)之間;第一次后烘(PEB，圖中未顯示)觸發了脫保護反應，使得光刻膠可溶于堿性顯影液，隨后進行第一次正顯影，形成的溝道具有與掩模版圖相同的周期。第二次顯影是負顯影，采用有機溶劑制備出位置交錯的溝道圖形。刻蝕工藝將頻率翻倍后的光刻膠溝道圖形轉移到下層中，最后清除光刻膠。DTD 是另一種形式的自對準雙重圖形技術。該技術最吸引人的一點是整個工藝可在涂膠顯影機上完成。與SDDP技術類似，該技術也受到設計圖形的限制。DTD 工藝的效果不僅受光刻膠材料的影響，還取決于第二次后烘過程中脫保護反應后產生的形貌。第二次后烘發生在第一次正顯影之后。在第一次顯影后增加一次過曝光工藝，可以提高光酸水平，并提高第二次顯影后的光刻膠形貌質量。雖然該技術有許多吸引人的特性，但它還僅停留在實驗室階段，尚未用于商業半導體制造領域。

雙重或多重圖形技術的選擇

前面的例子中介紹了幾種已在半導體制造中獲得應用的重要雙重圖形技術。除此之外，雙重圖形技術還包括雙極性光刻膠與自限酸擴散周期拆分技術。不同雙重和多重圖形技術的工藝復雜度不同，對芯片設計的影響也不同。LELE 和LFLE 包括兩次光刻曝光。需要將兩次曝光的圖形準確對準。由于兩次光刻之間的套刻誤差會形成CD誤差，所以雙重圖形技術提高了對光刻機套刻精度的要求。盡管 LELE 和 LFLE 可以應用于較為復雜的版圖，但版圖拆分的難度仍然很大。雙重圖形技術與光學鄰近效應修正技術相互影響，增加了芯片設計的復雜度。相比于其他雙重圖形技術，LELE需要多次光刻和刻蝕，增加了工藝時間和成本。LFLE 僅需一次刻蝕，所有工藝步驟都可以在涂膠顯影機上完成，但由于需要用到兩種不同的光刻膠，該技術增加了工藝步驟。這些工藝之間相互影響，需要準確地表征并加以控制。SADP/SAQP 和 DTD都是自對準雙重圖形技術，它們僅需一次光刻曝光，降低了對套刻的要求。這些技術都會對設計版圖帶來一定限制，并有可能需要增加其他曝光才可以形成最終的圖形。將SADP/SAQP與剪切掩模結合使用，可用于制備邏輯電路圖形，但同樣提高了對套刻精度的要求。SADP還要求邏輯電路要采用網格化設計，圖形只能在同一方向上。

雙重/多重圖形技術對工藝的需求和兼容性已經得到了大量的實驗驗證和研究。雙重/多重圖形技術特別是SADP/SADP和LELE，已經在先進制造工藝中獲得應用借助多重圖形技術,DUV 光刻可以制備小于20nm 的圖形，但工藝成本也明顯增加，并提高了對套刻精度控制的要求。目前人們已開發了適用于多重曝光/圖形技術的數學框架，可以只研究套刻控制以及套刻帶來的影響。結合雙重圖形技術，EUV光刻技術可以制備特征尺寸小于10nm 的圖形，進一步提高了先進光刻的技術水平。