先進(jìn)節(jié)點(diǎn)接觸層照明類型優(yōu)化解決光刻制造要求

劉　　娟

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203）

先進(jìn)節(jié)點(diǎn)接觸層照明類型優(yōu)化解決光刻制造要求

劉娟1，2

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203）

先進(jìn)節(jié)點(diǎn)邏輯集成電路制造是當(dāng)前工業(yè)界的領(lǐng)先工藝。為實(shí)現(xiàn)接觸（Contact）層的光刻工藝，需要從兩個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行處理：解析度和全間距的共有工藝窗口。離軸照明+相移掩模+亞解析度輔助圖形多種解析度增強(qiáng)技術(shù)的組合使用是解決光刻成像的方法。從優(yōu)化接觸層離軸照明的類型方面解決光刻制造工藝的問題。

離軸照明；照明類型；工藝窗口；掩模誤差增強(qiáng)因子

1　　引言

隨著半導(dǎo)體器件尺寸的縮小和設(shè)計(jì)圖形復(fù)雜度的增加，關(guān)鍵層圖形在硅片上成像并達(dá)到制造容忍度要求已經(jīng)變得越來越困難，因此也成為整個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體制造工藝能否成功的關(guān)鍵。在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下邏輯集成電路制造工藝的各個(gè)關(guān)鍵層中，由于接觸層連接制造前段和后段電路，并且自身在掩模板上的傳輸率（transmission rate）低，因此接觸層的成功成像成為整個(gè)半導(dǎo)體制造工藝的重中之重。離軸照明（Off-Axis-Illumination，OAI），浸沒式曝光（Immersion Lithography）和光學(xué)臨近效應(yīng)修正 （Optical Proximity Correction，OPC）結(jié)合的分辨率增強(qiáng)技術(shù)［1］（Resolution Enhancement Technology，RET）是先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下接觸層光刻制造的解決方案。本文著重研究離軸照明［2］類型的優(yōu)化，以使得密集圖形和孤立圖形都能達(dá)到光刻制造需要的工藝窗口（Process Window，PW）。

2　　照明類型的選擇和評(píng)估

在之前的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)45°四極照明式（Quasar）離軸光源對(duì)密集圖形（如圖1）的成像分辨率（Resolution）高、焦深（Depth Of Focus，DOF）足夠，但是孤立接觸層圖形的成像焦深較低，導(dǎo)致密集圖形和孤立圖形的共有焦深不足。

因此需要優(yōu)化出一種照明類型，滿足光刻工藝焦深要求的同時(shí)不降低其他關(guān)鍵的制造容忍度要求。在照明類型的選擇和優(yōu)化上，需要考量和對(duì)比3項(xiàng)關(guān)鍵因素：（1）在能量寬裕度 （Energy Latitude，EL）±7.5%范圍內(nèi)焦深較大。（2）關(guān)鍵圖形的掩模誤差增強(qiáng)因子（Mask Error Enhancement Factor，MEEF）較小。（3）較小的密疏圖形曝光尺寸差。

圖1　密集圖形和孤立圖形

2.1照明類型的選擇

根據(jù)下面的焦深計(jì)算公式（1）可知：

增大k2，增大波長，或者降低NA都可以提高圖形的焦深。而根據(jù)下面的分辨率計(jì)算公式（2），

R=k1λ/NA（2）

其中，NA=n sinθ（3）

式中k1是工藝因子，與工藝和照明方式相關(guān)；λ是波長；NA是透鏡的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture）；n是透鏡與硅片之間媒介的折射率；θ是光進(jìn)入透鏡最大錐面的半角。

可以知道：增大波長，或者降低NA都會(huì)降低關(guān)鍵尺寸的分辨率。而分辨率是當(dāng)前技術(shù)節(jié)點(diǎn)下照明光源需要解析出的最小尺寸和間距圖形的能力，不能夠降低。因此用增大波長或者降低NA來提高焦深的方式不可取。那么只能采取增大k2的方式提高圖形的焦深。k2由光刻的制程決定，本實(shí)驗(yàn)中不改變光刻膠、抗反射層和顯影制程，只需要通過改變照明類型［3］來達(dá)到提高k2的目的。為了不降低分辨率，照明的NA和Sigmaout應(yīng)保持不變，在四極照明的內(nèi)部加入一個(gè)較小相干的照明能夠提高k2，環(huán)形照明是較常使用的一種離軸照明類型，因此在四極照明內(nèi)部加入較小相干（sigma）環(huán)形照明的混合照明作為新的照明類型和四極照明進(jìn)行對(duì)比。

2.2照明類型的評(píng)估

本實(shí)驗(yàn)是在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)邏輯集成電路接觸層的光刻制程中評(píng)估四極-環(huán)形混合照明條件是否滿足光刻制程的要求并和四極照明進(jìn)行比較。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)接觸層光刻制程需要滿足這3項(xiàng)指標(biāo)：（1）在能量寬裕度（EL）±7.5%范圍內(nèi)的焦深（DOF）較大。（2）關(guān)鍵圖形的掩模誤差增強(qiáng)因子（MEEF）較小。（3）較小的光學(xué)臨近效應(yīng)修正（OPC）前圖形的密疏曝光尺寸差。

評(píng)估DOF和MEEF需要光刻后圖形的尺寸達(dá)到目標(biāo)圖形的尺寸，因此DOF和MEEF比較實(shí)驗(yàn)中的圖形是經(jīng)過光學(xué)臨近效應(yīng)修正（OPC）的，而OPC的光阻模型只有在已固定了照明類型和條件后經(jīng)收取大量光刻后硅片上尺寸數(shù)據(jù)并經(jīng)過軟件建模和校準(zhǔn)后得到，因此這里使用的是光學(xué)模型。其次，這里采用的是軟件模擬的方式評(píng)估各項(xiàng)指標(biāo)，并且評(píng)估時(shí)平行對(duì)比當(dāng)前的四極照明。評(píng)估圖形選用的是兩類關(guān)鍵圖形：（1）目標(biāo)尺寸一定的間距從最小設(shè)計(jì)規(guī)則到最大設(shè)計(jì)規(guī)則的一組圖形；（2）SRAM關(guān)鍵圖形。下面分別是兩類關(guān)鍵圖形在新照明類型和四極照明類型的光刻條件下模擬獲得的各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果及分析。新照明類型由四極照明 （Quasar）和環(huán)形照明 （Annular）組成，因此簡單起見下面的新照明類型用Aquard代替（如圖2）。

圖2　新舊照明類型比較

2.2.1能量寬裕度（EL）±7.5%范圍內(nèi)的焦深（DOF）

由于芯片邏輯區(qū)域設(shè)計(jì)尺寸的間距從可允許的最小設(shè)計(jì)規(guī)則到最大設(shè)計(jì)規(guī)則之間都可能出現(xiàn)，因此應(yīng)保證對(duì)所有可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)間距的圖形都有足夠的曝光焦深。圖3是對(duì)全間距圖形的焦深比較，（a）中顯示Quasar照明雖然對(duì)小間距圖形的曝光焦深很大，但是間距≥230 nm后曝光焦深不足0.1 μm。而Aquard照明對(duì)間距為130 nm圖形的焦深為0.11 μm，其余間距圖形的曝光焦深均＞0.13 μm。

由于SRAM是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)中尺寸和間距最緊并且圖形密度最大的部分，因而制造難度也最大。從圖3（b）中對(duì)SRAM的DOF模擬結(jié)果來看，兩種照明下圖形onPC的焦深是整個(gè)SRAM圖形中最小的，但是Aquard照明下所有SRAM圖形的焦深均≥0.11μm。

離軸照明對(duì)空間周期p在0.5λ/NA與λ/NA之間的圖形的空間像對(duì)比度較好，焦深較大。但對(duì)孤立圖形并不好，因?yàn)樗鼘⒑艽笠徊糠止庋苌涞焦馔馊チ?。因此，Quasar照明對(duì)密集圖形焦深大，孤立圖形焦深小。當(dāng)Quasar照明組合了較小部分相干的環(huán)形照明后，孤立圖形的焦深得以改善，同時(shí)密集圖形的焦深被少量中和，密集到孤立圖形的共同工藝窗口提高了。

圖3　 Aquard和Quasar照明下的焦深比較

2.2.2光罩誤差增強(qiáng)因子（MEEF）評(píng)估

MEEF考察的是掩模板上關(guān)鍵尺寸變化對(duì)曝光后硅片上關(guān)鍵尺寸的影響。根據(jù)掩模尺寸變化的容忍度和對(duì)曝光后硅片上關(guān)鍵尺寸的容忍度要求決定了先進(jìn)節(jié)點(diǎn)對(duì)接觸層MEEF的要求是≤4。

圖4是Aquard照明和Quasar照明下對(duì)目標(biāo)尺寸一定的全間距圖形和SRAM圖形的MEEF比較。如圖4（a）所示，除了最小間距125 nm，兩種照明下全間距圖形的MEEF均小于4；Aquard照明下圖形MEEF比Quasar的MEEF略大。SRAM圖形的MEEF比較結(jié)果如圖4（b）所示，兩種照明下HtH圖形的MEEF較大，其余各圖形MEEF都小于4。

HtH（Head to Head）圖形是典型的二維圖形，二維圖形由于入射衍射光少造成空間像對(duì)比度較低，硅片量測數(shù)據(jù)誤差較大，因而與一維圖形相比MEEF通常較大。兩種照明下，SRAM中HtH的MEFF值相近。與Quasar照明相比，Aquard照明下全間距圖形的MEEF略大，這種現(xiàn)象大概因?yàn)槠浠旌狭溯^小的環(huán)形照明所致。

圖4　 Aquard和Quasar照明下的MEEF比較

2.2.3圖形的密疏曝光尺寸差評(píng)估

相同關(guān)鍵尺寸的原始圖形在密疏間距下得到的曝光尺寸差越大，表示在同一光刻制程條件下不同疏密程度的設(shè)計(jì)圖形同時(shí)制作到目標(biāo)尺寸的難度較大。圖5是由密集到稀疏不同間距未經(jīng)過OPC處理的圖形分別在Aquard和Quasar照明下得到的光刻后硅片上的關(guān)鍵尺寸。其中，Quasar照明下當(dāng)圖形間距較大時(shí)光刻后尺寸隨間距增大迅速減小，圖形間距≥190nm時(shí)光刻后關(guān)鍵尺寸下降到45 nm以下。Quasar照明的密疏光刻尺寸差大于43 nm（87 nm-44 nm），Aquard照明的密疏光刻尺寸差是34nm（87nm-53nm）。

圖5　 Aquard和Quasar照明下一定尺寸不同間距圖形的密疏尺寸差比較

Aquard照明下圖形的光刻后密疏尺寸差比Quasar照明小，原因在于Aquard混合照明中加入的小Sigma的環(huán)形照明提升了稀疏圖形的空間像對(duì)比度，使較大間距圖形更容易在硅片成像。

3　　結(jié)果和討論

先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，離軸照明在提高接觸孔層密集圖形工藝窗口的同時(shí)存在稀疏圖形工藝窗口不足的問題。為了找到提高全間距圖形和SRAM關(guān)鍵圖形共同工藝窗口的照明類型，本文通過仿真比較了45°四極照明與較小相干（Sigma）的環(huán)形照明相組合的混合照明Aquard與45°四極照明（Quasar）的光刻后焦深及其他重要光刻工藝指標(biāo)——MEEF和密疏圖形尺寸差。比較結(jié)果如表1所示。其中，Aquard照明下共同焦深（Common DOF）和Dense-iso bias優(yōu)于Quasar照明，并且Aquard照明下的共同焦深≥0.11 μm，滿足該先進(jìn)工藝下接觸孔層的工藝窗口要求。MEEF的比較中Aquard照明雖然略大于Quasar照明，但是也滿足工藝要求。

表1　 Aquard和Quasar照明的比較

隨著器件尺寸的縮小，光刻工藝中選擇出滿足密集到孤立的全間距圖形和SRAM關(guān)鍵圖形共同工藝窗口，且MEEF較小、密疏尺寸差相對(duì)較小的照明類型，是極其復(fù)雜和耗時(shí)的過程。找到一個(gè)各項(xiàng)指標(biāo)都大幅提升的照明類型極其困難，往往需要在共同工藝窗口和MEEF間做出適當(dāng)?shù)恼壑?。本次研究顯示，45°四極照明與較小相干（Sigma）的環(huán)形照明相組合的混合照明略微損失MEEF但大幅提高共同工藝窗口。可行性方面，工業(yè)界領(lǐng)先光刻機(jī)制造商阿斯麥生產(chǎn)的ArF光刻機(jī)提供混合照明的方案。因此，Aquard混合照明不失為先進(jìn)節(jié)點(diǎn)邏輯集成電路的接觸層光刻工藝較好的照明類型。

［1］Jung-ho Park.Study on the Use of RET for Improvement of DOF in Sub-via Contact Hole s to Severe Topography［C］. MIEL 2012：103-106.

［2］C A Mack.Inside PROLITH：A Comprehensive Guide to OpticalLithographySimulation［M］.Austin：FINLE Technologies，1997：25-28.

［3］Max Born，Emil Wolf.Principles of Optics，7th Edition［M］. New York，Cambridge University Press，2007：459-523.

Optimization of Contact Layer Illumination Type to Improve Lithography Manufacture

LIU Juan1，2

（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.SMIC，Shanghai 201203，China）

To achieve contact layer printing in advanced technology node，two key factors need to be considered：resolution and through pitch process window.The combination of Resolution enhancement technologies，namely Off-Axis-Illumination，Phase-Shift-Mask，Sub-Resolution-Assist-Feature，is an effective solution.The paper focuses on illumination optimization to improve contact layer lithography process.

off-axis illumination；illumination type；process window；MEEF

TN305.7

A

1681-1070（2016）10-0036-03

2016-5-5

劉娟（1981—），女，河南南陽人，本科，現(xiàn)就職于中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，中級(jí)工程師，于技術(shù)研發(fā)部從事光學(xué)臨近效應(yīng)修正的相關(guān)工作。