SADP工艺中一类特殊二维图形的分解处理

宋长庚

(上海交通大学，上海200240)

SADP工艺中一类特殊二维图形的分解处理

宋长庚

(上海交通大学，上海200240)

自对准双重图型（SADP）技术广泛应用于28 nm以下节点逻辑电路制造工艺和存储器制造工艺。与其他双重图形技术（LELE，LPLE）相比，在处理二维图形分解时，SADP面临更复杂的要求。针对一种简单的二维图形，介绍了3种图形分解方法，可以有效改善线宽和对准工艺窗口。

自对准双重图形；二维图形；图形分解；工艺窗口

1 引言

双重图形技术（double patterning）可以将图形分辨率提高一倍，因此广泛应用于28 nm以下技术节点的逻辑电路工艺和存储器制造工艺中。双重图形需要使用两张掩模板进行两次曝光，必须将设计图形分解到两张掩模板，使两次曝光的图形相互配合形成原始设计图形。因此必须研究如何将原始设计图形分解到两张掩模板。在SADP工艺中，如果只需要制造一维连续的线/间距图形——如NAND flash中的字线、位线——则不需要进行图形分解。针对一种简单的二维图形，本文介绍了3种图形分解方法，可以有效改善线宽和对准工艺窗口。

2 SADP工艺和问题的提出

2.1 SADP工艺

在文献[1]中介绍了SADP工艺和这种工艺的特点，验证使用了它的线宽一致性（CDU）和边缘粗糙度（LER）以及可重复性。各种SADP工艺的流程类似，只是使用的薄膜堆栈材料不同。本文所采用的SADP工艺流程如图1所示。首先制作核心图形（core），其节距为P1；然后利用原子层沉积（ALD）的方式在核心图形侧壁形成均匀一致的侧墙（Spacer）；再通过干法蚀刻工艺去除顶部和底部的ALD层和核心图形，形成由侧壁构成的图形。此时线节距P2是核心图形线节距P1的一半，实现了双重图形的目的。侧壁图形可以根据需要继续向下层基底传递，在目标层薄膜制作图形。

图1 SADP工艺流程、俯视图和截面图

由图1可见，SADP工艺非常适合制造节距均匀一致的一维连续图形，并且不需要第二次光刻。但是当需要处理图形头尾的环形时，仍然需要第二次光刻工艺。一般情况下这里的第二次光刻工艺的线宽，对准要求远没有第一次光刻工艺要求严苛。在NAND flash的存储单元由高密度重复单元组成，字线（bit line）、位线（word line）等结构特别适合SADP工艺[2]。处理头尾环形图形的第二次光刻将合并到外围电路掩模板上。

2.2 SADP工艺中的简单二维图形处理方式和工艺窗口

如果目标图形不是均匀一致连续的一维图形，就必须对图形进行分解，使用两次光刻工艺，同时对两次光刻工艺的线宽(Critical Dimension,CD)、对准(Overlap)有非常高的要求。

如图2所示的简单二维图形，在一维连续图形的基础上要切断某些线，要求第二次光刻工艺专门处理此区域，本文称为“切断图形”或“cut mask”。而由图2（b）可见，此时对切断图形的线宽控制和对准提出严苛的要求，工艺窗口为一侧壁宽带的一半。对于先进工艺，如果侧壁宽度只有20 nm，留给线宽和对准的工艺误差窗口只有±10 nm。

图2 简单二维图形处理方式

3 图形分解设计和讨论

针对以上提出的线宽和对准工艺窗口问题，本文提出以下3种设计方案，并将讨论它们的优缺点。3.1切断奇数根线

本文提出的设计方案从核心图形入手，配合切断图形，实现切断指定线的同时增大切断图形线宽和对准误差窗口的目的。

方案1的核心图形和切断图形如图3所示。比较方案1和前述处理方式，提前把核心图形切断，在形成ALD侧墙图形后，配合切断图形实现切断指定线条。侧壁图形和切断图形配合过程见图4。

图3 第一种核心图形与切断图形配合方案

图4 第一种侧墙图形与切断图形配合

方案2的核心图形和切断图形如图5所示。比较方案2和前述处理方式，提前把核心图形连接起来，在形成ALD侧墙图形后，配合切断图形实现切断指定线条。侧壁图形和切断图形配合过程见图6。

3.2 方案1和方案2的优缺点

方案1和方案2的思想类似，都是利用SADP工艺在图形末端形成环形侧墙结构的性质，在切断处利用此环形侧墙，有效增大了切断图形的线宽和对准误差窗口。与图2所示的基本切断方案相比，新的设计方案把线宽和对准误差窗口从±0.5 F提高到±1.5 F。

但是方案1和2都只能切断奇数根线，即切断1根、3根、5根等。两种设计方案都不能切断偶数根线。如果需要切断2根、4根、6根线等，需要设计新的核心图形和切断图形配合。

方案1和方案2的不同之处在于，它们切断线的起始位置不同。方案1的起始线只能是奇数，即方案1可以从第3根、第5根等开始，切断连续奇数根（3根、5根等）线。以图4为例，从第5根（奇数）开始，切断了第5、6、7共3根（奇数）线。方案2的起始位置只能是偶数。以图6为例，从第6根（偶数）开始，切断了第6、7、8共3根（奇数）线。

图5 第二种核心图形与切断图形配合方案

图6 第二种侧墙图形与切断图形配合

3.3 切断偶数根线

以上讨论可以知道，需要一种新的设计方案实现切断偶数根线，本文提出图7、图8所示的设计方案。此设计方案可以补充方案1和方案2的不足，实现切断偶数根线的目的。同时由于对称性，此方案可以从任意位置（从奇数根或从偶数根）开始切断。

图7切断偶数根线——核心图形和切断图形

图8 切断偶数根线——侧墙图形与切断图形配合方案

4 实验验证

按照上述设计，设计制作了包括3种新设计方案的掩模板并进行流片验证。

图9分别对应3种设计方案在半导体晶圆上经过光刻、蚀刻工艺后得到的核心图形、经过侧壁蚀刻工序后的图形和最终得到的图形。

从最终图形可以看到，沟槽被切断的最中间图形发生了变形。这是由于切断图形（cut mask）与核心图形之间的对准存在偏差，以及切断图形本身线宽（CD）控制不够好。但是可以看到，即使发生了对准和线宽控制问题，新的设计依然可以保证实现切断指定线的目的。

与正常图形相比，新的设计引入了二维图形，使得邻近图形的线宽受到影响，问题严重时需要新的光学修正（OPC）过程进行修正，以保证所有图形线宽满足规格要求。

5 结论

在SADP工艺中，如果只需要制造一维连续的线/间距图形，如NAND flash中的字线、位线，不需要进行图形分解。针对一种简单的二维图形，本文介绍了3种图形分解方法，利用SADP工艺在图形末端形成环形侧墙结构的性质，在切断处利用此环形侧墙，有效增大了切断图形的线宽和对准误差窗口。与图2所示的基本切断方案相比，3种新设计方案把线宽和对准误差窗口从±0.5F提高到±1.5F。通过制作掩模板和工艺流程，验证了本文提出的3种设计方案。

本文提出的设计方案改善了线宽和对准误差工艺窗口，同时使核心图形复杂化，在进行OPC修正时需要特殊处理。

[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

图9 3种设计方案在晶圆上经光刻、蚀刻工艺后的核心图形、经侧壁蚀刻工序后图形和最终得到图形

TN305.7

A

1681-1070（2017）02-0040-03

2016-9-15