集成電路設(shè)計(jì)發(fā)展到超深亞微米，其特征尺寸越來(lái)越小，并趨近于曝光系統(tǒng)的理論極限，光刻后硅片表面的成像將產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，即產(chǎn)生光學(xué)鄰近效應(yīng)（Optical Proximity Effect）。隨著光刻技術(shù)面臨更高要求和挑戰(zhàn)，人們提出了浸沒(méi)式光刻（Immersion Lithography），離軸照明（Off Axis Illumination），移相掩膜（Phase Shift Mask）等各種分辨率增強(qiáng)技術(shù)（Resolution EnhancementTechnology）來(lái)改善成像質(zhì)量，增強(qiáng)分辨率。

雙重光刻基本原理及流程

雙重光刻技術(shù)（Double Patterning ）作為一種有效的光刻分辨率增強(qiáng)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于22nm，20nm，14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前主流的1.35NA的193nm浸沒(méi)式光刻機(jī)能夠提供36-40nm的半周期（half-pitch）分辨率，可以滿足28nm邏輯技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求，如果小于該尺寸，就需要雙重曝光甚至多重曝光技術(shù)。

雙重光刻技術(shù)主要的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一種是曝光——刻蝕——曝光——刻蝕（Lithography-Etch- Lithography-Etch），LELE的基本原理就是把原來(lái)一層光刻圖形拆分到兩個(gè)或多個(gè)掩膜上，利用多次曝光和刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)原來(lái)一層設(shè)計(jì)的圖形。另一種是自對(duì)準(zhǔn)雙重成像技術(shù)（self-aligned double patterning），SADP的原理是一次光刻后，再在第一次光刻圖形周?chē)ㄟ^(guò)淀積側(cè)墻，通過(guò)刻蝕實(shí)現(xiàn)對(duì)空間圖形的倍頻。

圖1 LELE原理

圖形拆分

雙重光刻的關(guān)鍵步驟需要對(duì)復(fù)雜版圖進(jìn)行拆分，也就是按照一定的規(guī)則將設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到兩個(gè)掩膜版上。事實(shí)上，版圖的拆分可以被認(rèn)為是著色問(wèn)題，原因在于拆分時(shí)不同掩膜上的圖形用不同的顏色加以區(qū)分。在拆分過(guò)程中，拆分后的圖形必須滿足根據(jù)工藝條件確定的規(guī)則，不滿足規(guī)則的部分稱為沖突。根據(jù)版圖的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性，拆分模式可以分為兩類：一種模式允許引入切割解決沖突，稱為縫合（stitch）；另一種模式不允許引入切割，只能自然分解或重新設(shè)計(jì)版圖，稱為非縫合式（non-stitch）。表1中列出了一些基本的拆分規(guī)則。

表1 拆分規(guī)則及其來(lái)源和對(duì)工藝的影響

基于DRC的拆分規(guī)則會(huì)對(duì)版圖提出一定的要求，最基本的拆分規(guī)則如圖4所示。寬度規(guī)則指定設(shè)計(jì)中任何形狀的最小寬度，間距規(guī)則指定兩個(gè)相鄰對(duì)象之間的最小距離。根據(jù)這些規(guī)則對(duì)版圖進(jìn)行分解。

圖2 一些基本的圖形拆分規(guī)則

下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的4線條版圖拆分為例。首先對(duì)圖形進(jìn)行拆分，紅/藍(lán)表示不同的掩膜，綠色線條表示分解后可能存在的沖突。分解后對(duì)掩膜進(jìn)行DRC檢查，通常情況下拆分能夠滿足要求。

圖3 一個(gè)簡(jiǎn)單的DRC拆分示例

然而對(duì)于一些復(fù)雜的圖形，如DRAM及邏輯單元等的復(fù)雜二維電路結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的二色法和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC（Design Rule Cheek）是不能完全消除沖突的，往往需要引入切割才能完成拆分規(guī)定的要求。

如下圖所示。在圖中圓圈部分表示線間距小于最小線間距（minSpace），通過(guò)在U形底部引入分割將復(fù)雜圖形分成了兩部分，然后將分割后的圖形置于兩塊掩膜版上從而達(dá)到了消除沖突的目的。

圖4 縫合式拆分

引入切割雖然可以解決原來(lái)的沖突，但是切割的最大問(wèn)題是縫合（stitch）處對(duì)套刻誤差（overlay）十分敏感，可能產(chǎn)生頸縮（分割后圖形小于設(shè)計(jì)圖形）和橋連（過(guò)曝光導(dǎo)致圖形粘連）現(xiàn)象。為減少頸縮現(xiàn)象可以在縫合點(diǎn)引入一定程度的交疊。此外，對(duì)于切割引起的新的沖突又需要進(jìn)一步的優(yōu)化和切割，直至最終的沖突數(shù)最小。如果引入切割仍然不能解決沖突，就只能對(duì)版圖進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)之初就考慮到版圖中的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如環(huán)形，U形，H形等，盡量避免這些結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的影響。

對(duì)版圖拆分完成后，就需要對(duì)兩張掩膜進(jìn)行OPC（optical proximity correction）等分辨率增強(qiáng)技術(shù)，提高光刻的成像質(zhì)量。緊接著進(jìn)行光刻可行性檢查（lithography compliance check），清除壞點(diǎn)（Hotspot）等操作。其中這樣的過(guò)程需要反復(fù)操作多次，直至滿足設(shè)計(jì)要求。DPT數(shù)據(jù)處理流程如圖所示。

圖5 DPT版圖數(shù)據(jù)處理流程

雙重光刻面臨的挑戰(zhàn)

雙重光刻技術(shù)只需對(duì)現(xiàn)有光刻基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行很小的改動(dòng)，就可以有效填補(bǔ)更小節(jié)點(diǎn)的光刻技術(shù)空白。然而，雙重光刻仍然會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。

（1）套刻精度是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)閮商讏D形必須非常精確地對(duì)準(zhǔn)以避免電路錯(cuò)誤。由于兩次曝光的對(duì)準(zhǔn)誤差直接和最終的關(guān)鍵尺寸（critical dimension）誤差相聯(lián)系，當(dāng)通常的CD誤差認(rèn)為是最小尺寸的10%時(shí)，由于需要考慮雙重圖形的對(duì)準(zhǔn)誤差，CD誤差只允許是最小尺寸的5%。同時(shí)對(duì)掩膜版上圖形的精確放置（placement）也提出了挑戰(zhàn)，對(duì)分割出來(lái)的掩膜相互之間的疊合離散要求也變得十分復(fù)雜與嚴(yán)格。

（2）另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)還在于尋求一種合適的高對(duì)比度非線性光刻膠或?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)層材料。因?yàn)榈诙纹毓庖讓?duì)第一次曝光圖形產(chǎn)生影響，因此需要其能夠吸收來(lái)自鄰近曝光的弱光，但又不會(huì)形成圖案;需要這種光刻膠能同時(shí)兼顧導(dǎo)線和間距區(qū)的曝光，且更適合實(shí)現(xiàn)光學(xué)臨近效應(yīng)。

（3）雙重曝光降低了光刻機(jī)的要求，但也提高了掩膜制造的難度和設(shè)計(jì)的難度。掩膜的設(shè)計(jì)需要合理地分割掩膜版圖形，并檢驗(yàn)分解正確性。這也正是可制造性設(shè)計(jì)（design for manufacturability）的目的，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品最終可以生產(chǎn)出來(lái)

在雙重光刻的實(shí)現(xiàn)中，套刻精度是不得不面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)閮商讏D形必須精確地對(duì)準(zhǔn)在一起以保證線寬及其均勻性，這是量產(chǎn)的重要參數(shù)。套刻精度誤差來(lái)源于一系列可能的因素包括圖像校準(zhǔn)誤差、晶圓變形、掩模扭曲、過(guò)程誤差等，一般難以完全消除。

如圖6所示，第一次曝光圖形的中心位置為S1，第二次曝光圖形的中心位置為S2。線寬L1由晶圓邊界X4和曝光圖形邊界X1確定，線寬L2由兩次曝光圖形的邊界確定。在版圖確定的情況下，S1的位置決定了L1的線寬，S1，S2的套刻誤差決定了L2的線寬，這樣最終線寬及其均勻性也就由兩次曝光的位置S1，S2確定。對(duì)于45nm半周期節(jié)點(diǎn)，最小的線寬尺寸為45nm，如果可接受的CD變化范圍為10%，那么套刻誤差必須控制在4.5nm以內(nèi)。綜合各種因素，目前而言，3nm的套刻精度被認(rèn)為是廣泛認(rèn)可的精度目標(biāo)。

圖6 套刻誤差對(duì)線寬及其均勻性的影響

雙重光刻雖然增強(qiáng)了圖形分辨率，降低了對(duì)光刻機(jī)分辨率的要求，但是每次曝光時(shí)線條的尺寸仍然與單次曝光相同。因此，光刻機(jī)的成像質(zhì)量仍然會(huì)影響到線條的尺寸。此外，如果光刻工藝控制不夠嚴(yán)格，還有可能出現(xiàn)周期移動(dòng)-——每次曝光的線寬偏差以及第二次曝光相對(duì)于第一次曝光圖形套刻誤差都將導(dǎo)致圖形局部周期性的起伏。

圖7 套刻誤差引起的周期移動(dòng)

參考文獻(xiàn)

［1］韋亞一。 超大規(guī)模集成電路先進(jìn)光刻理論與應(yīng)用［M］。 科學(xué)出版社， 2016.

［2］姚樹(shù)歆。 基于32nm光刻雙重圖形技術(shù)的研究和工藝實(shí)踐［D］。 復(fù)旦大學(xué)， 2011.

［3］Arnold， W， M. Dusa， and J.Finders. “Manufacturing Challenges in Double Patterning Lithography.”IEEE International Symposium on Semiconductor Manufacturing IEEE Xplore，2006:283-286.

［4］Drapeau， Martin， et al.“Double patterning design split implementation and validation for the 32nmnode.” 6521（2007）：652109-652109-15.

［5］Yuan， Kun， J. S. Yang， and D.Z. Pan. “Double Patterning Layout Decomposition for Simultaneous Conflictand Stitch Minimization.” IEEE Transactions on Computer-Aided Design ofIntegrated Circuits and Systems 29.2（2010）：185-196.

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