先进节点接触层照明类型优化解决光刻制造要求

刘　　娟

（1.上海交通大学，上海 200240；2.中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，上海 201203）

先进节点接触层照明类型优化解决光刻制造要求

刘娟1，2

（1.上海交通大学，上海 200240；2.中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，上海 201203）

先进节点逻辑集成电路制造是当前工业界的领先工艺。为实现接触（Contact）层的光刻工艺，需要从两个关键方面进行处理：解析度和全间距的共有工艺窗口。离轴照明+相移掩模+亚解析度辅助图形多种解析度增强技术的组合使用是解决光刻成像的方法。从优化接触层离轴照明的类型方面解决光刻制造工艺的问题。

离轴照明；照明类型；工艺窗口；掩模误差增强因子

1　　引言

随着半导体器件尺寸的缩小和设计图形复杂度的增加，关键层图形在硅片上成像并达到制造容忍度要求已经变得越来越困难，因此也成为整个技术节点半导体制造工艺能否成功的关键。在先进技术节点下逻辑集成电路制造工艺的各个关键层中，由于接触层连接制造前段和后段电路，并且自身在掩模板上的传输率（transmission rate）低，因此接触层的成功成像成为整个半导体制造工艺的重中之重。离轴照明（Off-Axis-Illumination，OAI），浸没式曝光（Immersion Lithography）和光学临近效应修正 （Optical Proximity Correction，OPC）结合的分辨率增强技术［1］（Resolution Enhancement Technology，RET）是先进技术节点下接触层光刻制造的解决方案。本文着重研究离轴照明［2］类型的优化，以使得密集图形和孤立图形都能达到光刻制造需要的工艺窗口（Process Window，PW）。

2　　照明类型的选择和评估

在之前的实验中发现45°四极照明式（Quasar）离轴光源对密集图形（如图1）的成像分辨率（Resolution）高、焦深（Depth Of Focus，DOF）足够，但是孤立接触层图形的成像焦深较低，导致密集图形和孤立图形的共有焦深不足。

因此需要优化出一种照明类型，满足光刻工艺焦深要求的同时不降低其他关键的制造容忍度要求。在照明类型的选择和优化上，需要考量和对比3项关键因素：（1）在能量宽裕度 （Energy Latitude，EL）±7.5%范围内焦深较大。（2）关键图形的掩模误差增强因子（Mask Error Enhancement Factor，MEEF）较小。（3）较小的密疏图形曝光尺寸差。

图1　密集图形和孤立图形

2.1照明类型的选择

根据下面的焦深计算公式（1）可知：

增大k2，增大波长，或者降低NA都可以提高图形的焦深。而根据下面的分辨率计算公式（2），

R=k1λ/NA（2）

其中，NA=n sinθ（3）

式中k1是工艺因子，与工艺和照明方式相关；λ是波长；NA是透镜的数值孔径（Numerical Aperture）；n是透镜与硅片之间媒介的折射率；θ是光进入透镜最大锥面的半角。

可以知道：增大波长，或者降低NA都会降低关键尺寸的分辨率。而分辨率是当前技术节点下照明光源需要解析出的最小尺寸和间距图形的能力，不能够降低。因此用增大波长或者降低NA来提高焦深的方式不可取。那么只能采取增大k2的方式提高图形的焦深。k2由光刻的制程决定，本实验中不改变光刻胶、抗反射层和显影制程，只需要通过改变照明类型［3］来达到提高k2的目的。为了不降低分辨率，照明的NA和Sigmaout应保持不变，在四极照明的内部加入一个较小相干的照明能够提高k2，环形照明是较常使用的一种离轴照明类型，因此在四极照明内部加入较小相干（sigma）环形照明的混合照明作为新的照明类型和四极照明进行对比。

2.2照明类型的评估

本实验是在先进节点逻辑集成电路接触层的光刻制程中评估四极-环形混合照明条件是否满足光刻制程的要求并和四极照明进行比较。先进节点接触层光刻制程需要满足这3项指标：（1）在能量宽裕度（EL）±7.5%范围内的焦深（DOF）较大。（2）关键图形的掩模误差增强因子（MEEF）较小。（3）较小的光学临近效应修正（OPC）前图形的密疏曝光尺寸差。

评估DOF和MEEF需要光刻后图形的尺寸达到目标图形的尺寸，因此DOF和MEEF比较实验中的图形是经过光学临近效应修正（OPC）的，而OPC的光阻模型只有在已固定了照明类型和条件后经收取大量光刻后硅片上尺寸数据并经过软件建模和校准后得到，因此这里使用的是光学模型。其次，这里采用的是软件模拟的方式评估各项指标，并且评估时平行对比当前的四极照明。评估图形选用的是两类关键图形：（1）目标尺寸一定的间距从最小设计规则到最大设计规则的一组图形；（2）SRAM关键图形。下面分别是两类关键图形在新照明类型和四极照明类型的光刻条件下模拟获得的各项指标的对比结果及分析。新照明类型由四极照明 （Quasar）和环形照明 （Annular）组成，因此简单起见下面的新照明类型用Aquard代替（如图2）。

图2　新旧照明类型比较

2.2.1能量宽裕度（EL）±7.5%范围内的焦深（DOF）

由于芯片逻辑区域设计尺寸的间距从可允许的最小设计规则到最大设计规则之间都可能出现，因此应保证对所有可能出现的设计间距的图形都有足够的曝光焦深。图3是对全间距图形的焦深比较，（a）中显示Quasar照明虽然对小间距图形的曝光焦深很大，但是间距≥230 nm后曝光焦深不足0.1 μm。而Aquard照明对间距为130 nm图形的焦深为0.11 μm，其余间距图形的曝光焦深均＞0.13 μm。

由于SRAM是整个芯片设计中尺寸和间距最紧并且图形密度最大的部分，因而制造难度也最大。从图3（b）中对SRAM的DOF模拟结果来看，两种照明下图形onPC的焦深是整个SRAM图形中最小的，但是Aquard照明下所有SRAM图形的焦深均≥0.11μm。

离轴照明对空间周期p在0.5λ/NA与λ/NA之间的图形的空间像对比度较好，焦深较大。但对孤立图形并不好，因为它将很大一部分光衍射到光瞳之外去了。因此，Quasar照明对密集图形焦深大，孤立图形焦深小。当Quasar照明组合了较小部分相干的环形照明后，孤立图形的焦深得以改善，同时密集图形的焦深被少量中和，密集到孤立图形的共同工艺窗口提高了。

图3　 Aquard和Quasar照明下的焦深比较

2.2.2光罩误差增强因子（MEEF）评估

MEEF考察的是掩模板上关键尺寸变化对曝光后硅片上关键尺寸的影响。根据掩模尺寸变化的容忍度和对曝光后硅片上关键尺寸的容忍度要求决定了先进节点对接触层MEEF的要求是≤4。

图4是Aquard照明和Quasar照明下对目标尺寸一定的全间距图形和SRAM图形的MEEF比较。如图4（a）所示，除了最小间距125 nm，两种照明下全间距图形的MEEF均小于4；Aquard照明下图形MEEF比Quasar的MEEF略大。SRAM图形的MEEF比较结果如图4（b）所示，两种照明下HtH图形的MEEF较大，其余各图形MEEF都小于4。

HtH（Head to Head）图形是典型的二维图形，二维图形由于入射衍射光少造成空间像对比度较低，硅片量测数据误差较大，因而与一维图形相比MEEF通常较大。两种照明下，SRAM中HtH的MEFF值相近。与Quasar照明相比，Aquard照明下全间距图形的MEEF略大，这种现象大概因为其混合了较小的环形照明所致。

图4　 Aquard和Quasar照明下的MEEF比较

2.2.3图形的密疏曝光尺寸差评估

相同关键尺寸的原始图形在密疏间距下得到的曝光尺寸差越大，表示在同一光刻制程条件下不同疏密程度的设计图形同时制作到目标尺寸的难度较大。图5是由密集到稀疏不同间距未经过OPC处理的图形分别在Aquard和Quasar照明下得到的光刻后硅片上的关键尺寸。其中，Quasar照明下当图形间距较大时光刻后尺寸随间距增大迅速减小，图形间距≥190nm时光刻后关键尺寸下降到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）。

图5　 Aquard和Quasar照明下一定尺寸不同间距图形的密疏尺寸差比较

Aquard照明下图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的环形照明提升了稀疏图形的空间像对比度，使较大间距图形更容易在硅片成像。

3　　结果和讨论

先进技术节点下，离轴照明在提高接触孔层密集图形工艺窗口的同时存在稀疏图形工艺窗口不足的问题。为了找到提高全间距图形和SRAM关键图形共同工艺窗口的照明类型，本文通过仿真比较了45°四极照明与较小相干（Sigma）的环形照明相组合的混合照明Aquard与45°四极照明（Quasar）的光刻后焦深及其他重要光刻工艺指标——MEEF和密疏图形尺寸差。比较结果如表1所示。其中，Aquard照明下共同焦深（Common DOF）和Dense-iso bias优于Quasar照明，并且Aquard照明下的共同焦深≥0.11 μm，满足该先进工艺下接触孔层的工艺窗口要求。MEEF的比较中Aquard照明虽然略大于Quasar照明，但是也满足工艺要求。

表1　 Aquard和Quasar照明的比较

随着器件尺寸的缩小，光刻工艺中选择出满足密集到孤立的全间距图形和SRAM关键图形共同工艺窗口，且MEEF较小、密疏尺寸差相对较小的照明类型，是极其复杂和耗时的过程。找到一个各项指标都大幅提升的照明类型极其困难，往往需要在共同工艺窗口和MEEF间做出适当的折衷。本次研究显示，45°四极照明与较小相干（Sigma）的环形照明相组合的混合照明略微损失MEEF但大幅提高共同工艺窗口。可行性方面，工业界领先光刻机制造商阿斯麦生产的ArF光刻机提供混合照明的方案。因此，Aquard混合照明不失为先进节点逻辑集成电路的接触层光刻工艺较好的照明类型。

［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

刘娟（1981—），女，河南南阳人，本科，现就职于中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，中级工程师，于技术研发部从事光学临近效应修正的相关工作。