双重曝光 光刻机，对于双重光刻你们了解多少

很多朋友对双重曝光 光刻机，对于双重光刻你们了解多少不是很了解，六月小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

随着集成电路设计向超深亚微米发展，其特征尺寸越来越小，接近曝光系统的理论极限。光刻后，硅片表面的成像会产生严重的畸变，即光学邻近效应。

随着对光刻技术的更高要求和挑战，人们提出了各种分辨率增强技术，如浸没光刻、离轴照明和相移掩模，以改善成像质量和提高分辨率。

双重光刻的基本原理和工艺作为一种有效的光刻分辨率增强技术，双重构图广泛应用于22nm、20nm和14nm工艺节点。目前主流的1.35NA 193nm浸没式掩膜版光刻机可以提供36-40nm的半节距分辨率，可以满足28nm逻辑工艺节点的要求。如果小于这个尺寸，就需要双重曝光甚至多重曝光技术。

双光刻主要有两种实现方式：一种是光刻-刻蚀-光刻-刻蚀。LELE的基本原理是将原始光刻图形分割成两个或多个掩模，利用多次曝光和刻蚀来实现原始图形。

另一种是自对准双图案化技术。SADP的原理是，在第一次光刻之后，通过在第一次光刻图案周围沉积侧壁并蚀刻，空间图案被倍频。

图1乐乐原理的分裂示意图

双光刻的关键步骤需要对复杂的版图进行拆分，即按照一定的规则将设计图形转移到两个掩膜版上。实际上，布局的拆分可以认为是一个着色问题，因为不同掩膜上的图形在拆分时是用不同的颜色来区分的。在拆分过程中，被拆分的图形必须满足根据工艺条件确定的规则，不符合规则的部分称为冲突。

根据布局的结构和复杂程度，拆分模式可以分为两类：一种模式允许引入裁剪来解决冲突，称为stitch另一种模式不允许引入裁剪，只能自然分解或重新设计版面，称为无针。表1列出了一些基本的拆分规则。

表1拆分规则及其来源和对过程的影响。基于DRC的拆分规则会对布局提出一定的要求，最基本的拆分规则如图4所示。宽度规则指定设计中任何形状的最小宽度，间距规则指定两个相邻对象之间的最小距离。根据这些规则，布局被分解。图2一些基本的图形分割规则

我们以一个简单的4行布局拆分为例。首先对图形进行拆分，红/蓝表示不同的蒙版，绿线表示分解后可能的冲突。分解后，通过DRC检查掩膜，通常分解可以满足要求。图DRC拆分的简单示例

但是对于一些复杂的图形，比如DRAM和逻辑单元的复杂二维电路结构，简单的二色性和设计规则检查DRC(Design Rule check)并不能完全消除冲突，往往需要引入切割来完成拆分的要求。如下图所示。图中圆圈部分表示行距小于最小行距(minSpace)。通过在U形底部引入分割，将复杂的图形分成两部分，然后将分割后的图形放在两个遮罩上，从而消除冲突。

图4缝合线裂开

虽然裁剪的引入可以解决原有的冲突，但是裁剪最大的问题是线迹对重叠误差非常敏感，容易造成缩颈(分割的图形比设计的图形小)和桥接(由于曝光过度导致图形卡住)。为了减少缩颈现象，可以在缝合点引入一定程度的重叠。此外，切割产生的新冲突需要进一步优化和切割，直到最终冲突数最小。

如果引入裁剪还是不能解决冲突，那就只能重新设计版面了。布局中的特殊拓扑结构，如环形、U形、H形等，在设计之初就要考虑，避免这些结构可能带来的影响。

版图分割后，需要增强两块掩膜的分辨率，如OPC(光学邻近校正)，以提高光刻的成像质量。然后，进行光刻一致性检查，并去除热点。这样的过程需要反复几次，直到达到设计要求。DPT数据处理流程如图所示。图5双重光刻面临的DPT布局数据处理流程挑战

双光刻技术可以有效地填充较小节点的光刻间隙，只需对现有的光刻基础设施进行小的改变。然而，双重光刻仍然带来一些挑战。

(1)对准精度是要考虑的关键问题，因为两组图形必须非常精确地对准，以避免电路误差。因为两次曝光的对准误差直接关系到最终的临界尺寸误差，所以当通常的CD误差被认为是最小尺寸的10%时，由于需要考虑双重图案的对准误差，CD误差只允许是最小尺寸的5%。

同时也对掩模上图案的精确放置提出了挑战，对分割掩模之间的重叠和离散性的要求变得非常复杂和严格。

(2)另一个关键点是找到合适的高对比度非线性光致抗蚀剂或对比度增强层材料。因为第二次曝光容易影响第一次曝光的图案，所以要求吸收相邻曝光的弱光而不形成图案；这种光刻胶要求兼顾导体和间隔区的曝光，更适合实现光学邻近效应。

（3）双重曝光降低了光刻机的要求，但也提高了掩膜制造的难度和设计的难度。掩膜的设计需要合理地分割掩膜版图形，并检验分解正确性。这也正是可制造性设计（design for manufacturability）的目的，使设计出的产品最终可以生产出来

在双重光刻的实现中，套刻精度是不得不面对的关键问题，因为两套图形必须精确地对准在一起以保证线宽及其均匀性，这是量产的重要参数。套刻精度误差来源于一系列可能的因素包括图像校准误差、晶圆变形、掩模扭曲、过程误差等，一般难以完全消除。

如图6所示，第一次曝光图形的中心位置为S1，第二次曝光图形的中心位置为S2。线宽L1由晶圆边界X4和曝光图形边界X1确定，线宽L2由两次曝光图形的边界确定。在版图确定的情况下，S1的位置决定了L1的线宽，S1，S2的套刻误差决定了L2的线宽，这样最终线宽及其均匀性也就由两次曝光的位置S1，S2确定。

对于45nm半周期节点，最小的线宽尺寸为45nm，如果可接受的CD变化范围为10%，那么套刻误差必须控制在4.5nm以内。综合各种因素，目前而言，3nm的套刻精度被认为是广泛认可的精度目标。

图6 套刻误差对线宽及其均匀性的影响

双重光刻虽然增强了图形分辨率，降低了对光刻机分辨率的要求，但是每次曝光时线条的尺寸仍然与单次曝光相同。因此，光刻机的成像质量仍然会影响到线条的尺寸。此外，如果光刻工艺控制不够严格，还有可能出现周期移动­——每次曝光的线宽偏差以及第二次曝光相对于第一次曝光图形套刻误差都将导致图形局部周期性的起伏。

图7 套刻误差引起的周期移动

参考文献

1韦亚一。 超大规模集成电路先进光刻理论与应用M。 科学出版社， 2016.

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

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

5Yuan， 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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