Patterning的新选择

来源：内容来自semiengineering ，作者 MARK LAPEDUS，谢谢。

目前，几个晶圆厂工具供应商正在推出新一代自对准图案化技术，以向10 nm/ 7nm及以上的新器件演进。

应用材料、Lam Research和INTEL正在开发基于各种新方法的自对准技术。最新的方法涉及采用多色材料方案的自对准图案化技术，该技术旨在用于在逻辑晶体管本身内开发新的finFET和结构。也有其他公司正在开发下一代晶体管和存储器的新方案。

用于形成逻辑和存储器的自对准图案化技术属于半导体制造中“图案化”的通用范畴。 图案化是在芯片上开发微小特性和图案的“艺术”。 其他技术也属于宽泛的“图案化”部分，例如极紫外（ EUV ）光刻和光学光刻等。

几年前开发的自对准技术，利用各种工艺步骤来确保结构彼此正确对齐。 一般来说，新的自对准技术分为两个部分 - 多重构图 ，以及自对准接触/过孔和其他结构。有人对第二部分使用不同的名称。 Imec将其称为“缩放增强器”，而应用材料公司将其称为“材料使能缩放”。

在多重图案化中，其思路是在工厂中使用一系列工艺步骤来缩放芯片的特征尺寸。 最著名的例子是自对准双重图案（SADP）和自对准四重图案（SAQP）。

除了多重图案化之外，芯片制造商还使用不同的自对准技术来开发晶体管内部的各种结构，例如接触和过孔。 业界将这些结构称为自对准接触和过孔。

举一个例子， Intel最近推出了10nm finFET技术。 采用自对准技术，英特尔在finFET内部集成了有源栅极（COAG）结构的触点。有其他公司正在开发完全自对准的过孔和相关结构。

图1：标准触点与有源栅触点。 来源：英特尔

这些经常被忽视的技术正变得越来越重要。 “像COAG这样的自对准结构是缩放的关键，”英特尔高级研究员兼过程架构与集成总监Mark Bohr表示。“英特尔和行业内的其他厂商过去都采用了自对准功能，如自对准接触和自对准过孔，这些功能都需要实现缩放。”

自对准技术在工厂中使用各种工艺步骤，例如沉积、蚀刻和光刻。 其他方案更多的是以新的材料组合沉积/蚀刻为中心，根据设备而有所不同。 在图案化领域还有其他选择，包括直写电子束、定向自组装、EUV、光刻和纳米压印。

但为了帮助行业在自对准技术领域走在前列，半导体工程公司正在紧跟、研究多模式图案、接触/过孔和未来方案的趋势。

转向多重模式

该过程从光掩膜设施开始。 在这个流程中，芯片制造商设计一个IC，将其转换成文件格式，然后，基于该格式开发光掩膜。

光掩膜是给定IC设计的主模板。 掩膜开发后，它被运送到工厂并放置在光刻扫描仪中。

然后，将晶圆放置在扫描仪中的独立台上，晶圆上涂有光敏材料，称为光刻胶。 扫描仪通过掩膜投影光线，在晶圆上形成微小图像。

多年来，传统光刻是一个简单的过程。 光刻扫描仪使用单次曝光对晶圆上的特征进行成像。 这或多或少是单一模式的过程。 长期以来，业界认为传统的光刻系统将持续到45nm左右。 理论上，最新的光学技术--193nm波长光刻技术 - 应该以80nm线宽或40nm半线宽达到其物理极限。然后，在45nm处，芯片制造商应该转向极紫外（EUV）光刻技术，EUV使用13.5nm波长，在纳米尺度上图案化特征。

然而，EUV的开发比以前想象的更复杂，并且技术已经被推迟。 现在，EUV的目标是7nm和5nm。 由于延迟，业界开发了另一种解决方案，即通过多重图案化技术来延长当今的193nm波长光刻技术。

从单一模式转向多重模式并不容易。 多年来，该行业在光掩膜上使用了光学邻近校正（OPC）技术。 OPC使用微小形状或次分辨率辅助功能（SRAF）。SRAF被放置在掩膜上，这改变了掩膜图案，从而改善了晶圆上的可印刷性。

然而，在20nm处，SRAF在掩膜上变得太密集，使得在晶圆上印刷可辨别的特征更加困难，而这正是适合使用多重图案化的地方。

“在多重图案化中，原始掩膜的形状被划分为两个或更多，使得每个形状在其周围具有足够的空间，以使得OPC操作能够使其可印刷，” 西门子Mentor的DFM项目主管David Abercrombie在博客中说： “然后将每个掩膜分开打印，最终将整套原始形状成像到晶圆上。”

从22nm/ 20nm开始，芯片制造商采用两步法在晶圆厂实施了各种多重构图方案。 第一步是使用193nm光刻和多重图案在晶圆上构图微小线条。然后，线条被切割成小而复杂的图案。

对于这些产品线，该行业借鉴了存储器行业中使用的技术 - SADP和SAQP。 SADP / SAQP使用光刻步骤，以及附加的沉积和蚀刻步骤来定义间隔物状特征。 使用SADP / SAQP，芯片制造商可以将线宽扩展到40nm以上。

然而，这里有一个很大的挑战，就是将这些线条切成小图案。 为此，一些芯片制造商使用SADP和SAQP。

还有厂商使用双重图案化，这可以将线宽减少30％。 这个过程使用光刻和蚀刻来定义单个层。 这也被称为光刻 - 蚀刻 - 光刻 （LELE）。还有厂商使用三重图案化，这需要三次曝光和蚀刻步骤（LELELE）。

图2：自对准垫片避免了掩膜错位。 来源：Lam Research

图3：双重图案增加密度。 来源：Lam Research

多次构图延长了IC的缩放比例，但同时也增加了复杂性。 首先，每个节点都有更多的流程步骤，这会转化为时间和成本。

设备功能在每个节点处变得更弱，这使问题更加复杂。 最重要的是，这些功能必须精确并且放置在设备每层的确切位置上。 28nm器件具有40到50个掩膜层。 相比之下，14nm / 10nm器件具有60层，并且该数量在7nm处预计会上升至80至85层。

总而言之，每个节点的挑战都在增加，这就增加了在这个过程中出现错误的可能性。 “我们可以通过乘法来制作更小的特征。 但将它们相对放置，是一个根本挑战。当您正尝试将多个图层彼此叠加时，可能会出现错误，“ 应用材料公司图案化技术总监Regina Freed表示。

在图案化处理中，目标是在精确的位置上设置微小的特征。 如果这些不精确，会导致不能对准，这通常称为边缘放置误差（EPE）。

EPE是IC布局的预期功能和打印功能之间的差异。 如果在生产流程中出现一个或多个EPE问题，则该设备会出现短路或收益率低下的情况。

EPE由数值表示，简而言之，EPE等同于各种度量的组合 - CD均匀性、覆盖度、线边缘粗糙度（LER）和变化。

图4：多重构图过程和EPE挑战。 来源：应用材料公司

有些流程可以轻松满足所需的EPE数值或预算， 但有时，更难的流程可能会超过EPE的目标水平，这将导致收益率下降。

解决方案

所以，对于10nm / 7nm及更高工艺节点来说，什么是最好的图案化解决方案？ 哪一个会符合EPE的目标呢？

没有单一的解决方案可以满足所有需求。 与以前一样，芯片制造商根据复杂性、成本和其他因素选择特定的制造技术。

应用材料的Freed说：“以某种分辨率获取图案有多种方式，会有很多不同的选择。 你可以做SAQP，可以使用EUV /双重图案化，可以进行EUV光刻蚀刻 - 光刻蚀刻。 每个选项都有其优点和缺点。 客户可以综合使用这些技术。”

EUV是一种可能性，因为它有望减少流程中的步骤。 DSA ， 多光束和纳米压印也是可能的。

自对准是另一种解决方案。 这些技术与其他晶圆厂工具协同工作，以帮助对齐特征。 例如，EUV可以与SADP / SAQP方案结合，用于多重图案化。

一般来说，该行业已经将今天的自对准技术扩展到10nm / 7nm，而使用传统方法变得具有挑战性。 “随着行业进入高级节点，与尺寸缩放相关的处理挑战变得越来越重要，” INTEL高级工艺工程师Eric Liu在最近的SPIE会议上发表的一篇论文中表示。

在这篇论文中，INTEL描述了一种新的SAQP方法，用来执行30nm线宽的线切割。 “线切割步骤中最具挑战性的模式是单线切割，且要求没有缺陷形成，”Liu说。

为此，INTEL使用多色材料设计了SAQP（这与用于多重图案化的多色掩膜布局不同。）

传统上，在SADP / SAQP中，流程涉及各种步骤和不同的材料，通常，每种材料具有相同的颜色。 问题在于，当使用传统方法以30nm线宽进行线切割时，INTEL计算出EPE预算超过了7.9nm的目标值。

INTEL的新方法是遵循具有各种光刻、沉积和蚀刻步骤的标准SAQP流程。 但是在这种方法中，基于蚀刻选择率，每种材料被分配不同的颜色，例如，该过程需要两条不同的生产线， 每条线都分配有不同的颜色，掩膜板被分配不同的颜色。

图5：从光刻到隔离层3沉积的2L1C的分步多色工艺流程。 来源：INTEL

简而言之，颜色可以作为流程中的指导，从而实现更精确的特征。 “如果用不同的材料制作长线条/空间图案中的其他线条，并且这些材料具有不同的蚀刻速率，则可以在蚀刻工艺中切割一条线条，而不用担心相邻线条是否因错位而损坏裁剪图案“，Fractilia的首席技术官Chris Mack在博客中解释说。

尽管如此，总体而言，多色彩多重图案化方法仍然需要权衡。 “ Lam Research技术总监Richard Wise表示：”我们已经将测试架构作为逻辑应用研发活动的一部分，通过构建具有不同颜色（材料）的线条，随机放置切割工艺可以使用选择性蚀刻工艺自动对准底层线条。 这可以有效地将这些削减的覆盖裕度加倍或更多。“

但是它增加了更多的工艺步骤和成本。 “只有在使用标准晶圆厂技术无法满足覆盖预算的情况下，这些解决方案才是必需的，而且在复杂性、成本和设计方面的权衡具有较强的成本敏感性，”Wise说。 “在产品中采用需要权衡，用于自对准的多色SAxP以牺牲工艺复杂性/成本和设计灵活性为代价提高了叠加效果。 然而，设计仍然是个挑战。 在这一点上，业界专注于使用其他不需要这些权衡的技术改进产品覆盖。“

总而言之，具有多色技术的SADP / SAQP不是唯一的选择，但它们确实给客户提供了更多选择。

触点和过孔

领先的芯片由三部分组成 - 晶体管、触点和互连。晶体管由源极，栅极和漏极组成。

位于晶体管顶部的互连由微小的铜布线组成，这些布线将电信号从一个晶体管传输到另一个晶体管。 通常情况下，芯片可能具有10到15个级别的铜互连，这些互连使用过孔连接。

晶体管连接和互连通过一个微小的触点实现，触点是具有小间隙的3D结构，其缝隙里充满了钨。

图6：各个节点处的互连、触点和晶体管。来源：应用材料。

直到最近，芯片制造商在触点和过孔方面几乎没有问题。 以触点为例。 在大多数芯片中，一个栅极位于两个触点之间。 在90nm处，从一个触点到另一个接触点的长度约为200nm。 但是到了22nm时，器件的尺寸缩小到了触点很小的地方。

为了解决这个问题，芯片制造商转向自对准的连接方案。 例如，在22nm处，英特尔将触点放置在栅极旁边。 使用自对准方案，金属栅极凹陷。根据英特尔的说法，氮化硅蚀刻停止层被放置在金属的顶部，触点用钨填充。

图7：22nm自对准接触。 来源：英特尔

实际上，自对准接触使芯片制造商能够在设备上填充更多结构，这一举措提高了总体面积缩放比例。

在10nm时代，英特尔又向前迈进了一步。 它将触点放置在有源栅（COAG）上。 采用不同的自对准工艺，英特尔使用碳化硅材料作为蚀刻停止层。 另外，钴取代了钨，以降低线路电阻。

还有其他一些例子，例如完全对齐。 多年来，该行业已经使用damascene般的流程进行接触和过孔。 在接触和过孔中，使用193nm浸入式和多图案技术，可以在表面上形成孔洞，用蚀刻机钻一个小孔，然后，排好洞并填充不同的材料。

在先进的节点上，芯片制造商面临几项挑战，首先，这些结构与多重模式（如EPE）具有相同的挑战；每个节点上的触点和过孔变得越来越小，越来越难以制作。

因此，为了图案化接触孔和通孔，芯片制造商希望从193nm光刻切换到7nm / 5nm的EUV。 结构的其他部分也需要更复杂的制造技术。应用材料公司蚀刻和图案化战略副总裁Uday Mitra说：”在过去的美好时代，EPE的利润率很高，现在它不再只是简单的缩放。实际上是把触点放在栅极上，这就像3D缩放。“

COAG和完全自对准过孔是晶体管内部复杂的类3D模块。 许多类似3D的结构更多地依赖于沉积、蚀刻和新材料。 Gartner半导体和电子产品研究总监Gaurav Gupta说：“基本上，光刻一直是缩放的主要驱动因素，但对于3D设备，当你试图缩放时，它不仅仅是光刻，蚀刻和沉积变得更加重要。“

为了实现这样的结构，供应商开发了一系列工具、材料和流程。 “采用自对准方案的一种方法是使用多种材料，选择性蚀刻，选择性去除和CMP，”Applied的Mitra说。 “你要尽可能使用标准材料。”

还有利用多色材料的自对准技术。“整个世界正在朝这个方向发展，不只是光刻或EUV。有或没有EUV，都需要自我对准的方案。 你需要材料使能的图案化处理，”他说。

例如，应用材料公司称之为“材料使能的缩放”。材料使能的缩放并不完全是一个新技术市场，它基本上是当前自对准技术的演变。 “你仍然必须使用自对准结构，需要不同材料的组合，处理步骤的顺序可能会有所不同。 这是一个由材料解决的图案化问题，而不是经典的光刻收缩或覆盖，“他说。

下一步怎么走？

还有更多方案。 应用材料和其他公司正在研究一种称为选择性沉积的技术，使用原子层沉积工具，选择性沉积是一个在确切位置沉积材料和膜的过程。

选择性沉积仍处于研发阶段。 随着时间的推移，这些技术有望促进各种新设备发展。 Gartner公司的Gupta表示：“对于材料驱动的缩放，新材料将用于制造Ge / III-V，纳米线、石墨烯、VFET和TFET。

锗（Ge）和III-V材料是下一代晶体管的目标材料。 纳米线、垂直FET（VFET）和隧道FET（TFET）是下一代晶体管类型。

显然，自对准方案将支持新器件，并为IC缩放提供急需的推动力。 如果没有这些创新，摩尔定律可能很难演进。

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致谢：本文由电子科技大学低功耗集成电路与系统研究所黄乐天老师和方子力同学协助校对，特此感谢。

原文链接：https://semiengineering.com/new-patterning-options-emerging/

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