SADP vs. SAQP vs. LELE: Pitch-Teilung beim Multi-Patterning, Überlagerungsgenauigkeit, Masken- und Prozessschritte

Multi-Patterning erzeugt Muster, deren Pitch für eine einzelne Belichtung zu fein ist, indem es sie auf mehrere Belichtungen oder Prozessschritte aufteilt. LELE teilt das Layout auf zwei Masken auf und wiederholt Belichtung und Ätzen zweimal, sodass die Linien abwechselnd nebeneinanderliegen. SADP bildet Spacer an den Seitenwänden von Kernlinien (Mandrels) und entfernt dann die Mandrels, sodass aus jedem Mandrel zwei Linien entstehen und sich der Pitch halbiert. SAQP wiederholt den Spacer-Prozess zweimal und teilt den Pitch durch vier. LELE bietet mehr Layoutfreiheit, verlangt aber eine sehr enge Überlagerung zwischen den beiden Belichtungen; bei SADP und SAQP werden die Linien selbstjustiert positioniert, dafür entstehen regelmäßige Linienfelder, und es werden Cut-Masken zum Entfernen unerwünschter Teile benötigt.

MerkmalSADPSAQPLELE
Teilung des Pitches1/2 (zwei Linien aus jedem Mandrel)1/4 (der Spacer-Prozess wird zweimal ausgeführt)1/2 (1/3 mit drei Masken, LELELE)
Typisch erreichbarer Pitch (mit ArF-Immersion)Die Hälfte der Grenze für Einzelbelichtung (Pitch etwa 80 nm), also etwa 40 nmBis in den unteren 20-nm-BereichPrinzipiell etwa 40 nm; in der Praxis durch die Überlagerung begrenzt
Was die Linienpositionen bestimmtPosition der Mandrels und Dicke der Spacer-Schicht (selbstjustiert)Position der Mandrels und Dicke der beiden Spacer-Schichten (selbstjustiert)Die Position jeder der beiden Belichtungen; die zweite wird auf die erste überlagert
Empfindlichkeit gegenüber der ÜberlagerungDie Positionen der Linien zueinander hängen nicht von der Überlagerung ab; Cut-Masken müssen aber auf die Linien ausgerichtet werdenWie bei SADP hängen die Linien nicht davon ab; die Ausrichtung von Cut- und Block-Masken ist noch engerSehr empfindlich: Jede Verschiebung der zweiten Belichtung ändert direkt den Abstand zur Nachbarlinie
Schwankung von Linienbreite und AbstandDie Linienbreite wird durch die Schichtdicke bestimmt und ist gleichmäßig; weicht die Mandrelbreite ab, werden abwechselnde Abstände ungleich (Pitch Walking)Mehr Maße wirken mit (Mandrelbreite und zwei Schichtdicken), daher ist Pitch Walking schwerer zu beherrschenDie Linienbreiten der beiden Belichtungen schwanken unabhängig, und die Abstände ändern sich mit dem Überlagerungsfehler
Masken (die die Linien bilden)Eine Mandrel-Maske plus Cut- oder Block-MaskenEine Mandrel-Maske plus Cut- oder Block-Masken (meist mehr als bei SADP)Zwei (drei bei LELELE)
Wichtigste ProzessschritteBelichtung → Mandrel-Ätzung → Abscheidung der Spacer-Schicht (ALD u. a.) → Rückätzen → Entfernen der Mandrels → Übertragung in die darunterliegende Schicht → CutDie SADP-Schritte plus eine zweite Spacer-Abscheidung, Rückätzung und Mandrel-EntfernungBelichtung → Ätzen → Belichtung → Ätzen (nacheinander in eine Hartmaske oder Ähnliches übertragen)
LayoutfreiheitGering: im Wesentlichen regelmäßige Linien in einer Richtung, unerwünschte Teile werden durch Cuts entferntNoch geringer als bei SADP: auf nahezu gleichmäßige Gitter beschränktHoch: auch 2D-Formen möglich, aber Anordnungen, die sich nicht in zwei Farben aufteilen lassen (etwa drei einander nahe Muster), sind unzulässig
Typischer EinsatzFins, Gates, Metallleitungen und feine Linien in SpeichernDie feinsten Fins, die dichtesten Metallebenen und SpeicherlinienKontakte, Vias und Metallebenen mit komplexen Formen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

SADP
Wenn regelmäßige Linien in einer Richtung mit halbem Pitch und gleichmäßiger Linienbreite benötigt werden. Dichte Linien lassen sich herstellen, ohne sich um die Überlagerung zwischen ihnen sorgen zu müssen.
SAQP
Wenn selbst SADP nicht ausreicht und der feinste Linienpitch nötig ist. Es hat die meisten Schritte und Kosten, erreicht aber selbst mit ArF-Immersion Pitches im unteren 20-nm-Bereich.
LELE
Wenn 2D-Muster, die keine regelmäßigen Linien sind, etwa Kontakte und Vias, auf mehrere Belichtungen aufgeteilt werden müssen. Die Überlagerung muss sehr eng kontrolliert werden.
Verhältnis zu EUV
Die EUV-Lithografie hat viele Ebenen zur Einzelbelichtung zurückgebracht und Multi-Patterning-Schritte verringert. Bei den allerfeinsten Pitches wird EUV aber teils weiterhin mit Spacer-Techniken kombiniert.

Häufige Fragen

Warum ist SADP unempfindlich gegenüber Überlagerungsfehlern?

Weil jedes Linienpaar aus Spacern entsteht, die an beiden Seitenwänden desselben Mandrels gebildet werden. Ihre Positionen werden durch die Mandrelposition und die Spacer-Dicke bestimmt, ohne dass eine zweite Belichtung ausgerichtet werden muss. Bei LELE ändert jede Verschiebung der zweiten Belichtung direkt den Abstand zur Nachbarlinie.

Was ist Pitch Walking?

So heißt es, wenn bei Spacer-basierter Strukturierung abwechselnde Abstände ungleich werden. Der Abstand, der nach dem Entfernen eines Mandrels bleibt, wird durch die Mandrelbreite bestimmt, der Abstand zwischen benachbarten Mandrels dagegen durch Mandrelpitch, Mandrelbreite und Spacer-Dicke; verfehlt die Mandrelbreite ihren Sollwert, unterscheiden sich die beiden Abstandsarten. Bei SAQP wirken mehr Maße mit, daher ist es noch schwerer zu beherrschen.

Warum werden Cut-Masken benötigt?

Bei SADP und SAQP legen sich die Spacer um die Enden der Mandrels und bilden Schleifen, sodass nur ein regelmäßiges Linienfeld entsteht. Um die Formen zu erhalten, die eine Schaltung braucht, werden Linienenden und unerwünschte Teile mit einer weiteren Maske geschnitten oder blockiert. Diese Maske wird relativ zu den Linien positioniert und braucht daher eine gute Überlagerung.

Welche Anordnungen lassen sich bei LELE nicht in zwei Farben aufteilen?

Anordnungen, die einen ungeraden Ring bilden, etwa drei Muster, von denen jedes für eine Einzelbelichtung zu nahe an den beiden anderen liegt. Wie man sie auch auf zwei Masken verteilt, zwei zu nahe Muster landen auf derselben Maske. Entwurfswerkzeuge melden solche Anordnungen als Fehler, die zu beheben sind.

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Welche Aussage zum Double Patterning (Multi-Patterning) ist richtig?

  1. AZwei Wafer werden gleichzeitig belichtet
  2. BStrukturen mit so feinem Pitch, dass sie mit einer Belichtung nicht aufgelöst werden können, werden durch mehrere Belichtungen oder Bearbeitungsschritte gebildet
  3. CAllein durch zweilagiges Auftragen von Resist verdoppelt sich die Auflösung
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Antwort: B. Strukturen mit so feinem Pitch, dass sie mit einer Belichtung nicht aufgelöst werden können, werden durch mehrere Belichtungen oder Bearbeitungsschritte gebildet

Double Patterning ist eine Technik, Strukturen mit Pitches, die mit einer Belichtung nicht aufgelöst werden können, entweder in zwei ausgedünnte Muster aufzuteilen und getrennt zu belichten und zu bearbeiten (LELE) oder die Linien mit an den Seitenwänden abgeschiedenen Spacern zu verdoppeln (SADP, SAQP). Sie trieb die Miniaturisierung über die Grenze der ArF-Immersion (Pitch etwa 80 nm) bis zu Pitches im Bereich von 20 nm, doch Prozessschritte, Maskenzahl und Kosten steigen stark, weshalb die Einführung der EUV-Belichtung vorangetrieben wurde.

Was wird beim Double Patterning nach dem LELE-Verfahren (Litho-Etch-Litho-Etch) besonders streng gefordert?

  1. ADie Farbe des Resists
  2. BDie Anzahl der Belichtungsanlagen
  3. CDie Überlagerungsgenauigkeit zwischen erstem und zweitem Muster
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Antwort: C. Die Überlagerungsgenauigkeit zwischen erstem und zweitem Muster

Beim LELE wird ein feines Muster in zwei Teile aufgeteilt und getrennt belichtet und geätzt; verschiebt sich das zweite Muster gegenüber dem ersten, ändert sich der Abstand zwischen benachbarten Linien um genau diese Verschiebung, was sich unmittelbar auf Leitbahnkapazität und Kurzschlüsse auswirkt. Bei 20 nm Abstand und 2 nm Versatz sind das beispielsweise 10 % Änderung. Daher ist eine sehr hohe Überlagerungsgenauigkeit nötig. Beim SADP mit Spacern ergibt sich die Linienposition selbstjustiert, sodass dieses Problem kleiner ist.

Welche Technik, mit der dünne Finnen für FinFETs hergestellt werden, nutzt Seitenwand-Spacer, um feinere Muster als die Lithografiegrenze zu erzeugen?

  1. ASADP/SAQP (selbstjustiertes Double/Quadruple Patterning)
  2. BOPC
  3. CCMP
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Antwort: A. SADP/SAQP (selbstjustiertes Double/Quadruple Patterning)

Beim SADP wird an der Seitenwand eines Kernmusters per ALD o. Ä. eine gleichmäßige Schicht aufgebracht und so ein Spacer gebildet; wird der Kern entfernt, entstehen Linien mit doppelter Dichte. SAQP wiederholt dies zweimal und erreicht die vierfache Dichte. Da die Linienbreite durch die Schichtdicke statt durch die Belichtung bestimmt wird, ist die Streuung gering, und es lassen sich Finnen und Leitungen formen, die feiner sind als die Grenze der ArF-Immersionsbelichtung (Pitch etwa 80 nm). Auch bei EUV-Belichtung wird es beim feinsten Pitch kombiniert eingesetzt.

  1. Welche Musterzuordnung durch das Entwurfswerkzeug ist bei einem Layout mit Double Patterning richtig?
  2. Welche Maßnahme verbessert nach der Auflösungsformel R = k1 × λ / NA die Auflösung (verkleinert R)?

Übungsfragen zu Lithografie

Wichtige Begriffe erklärt

Multi-Patterning
Technik, bei der Strukturen mit feinem Pitch, die in einer einzigen Belichtung nicht auflösbar sind, auf mehrere Belichtungen und Bearbeitungsschritte aufgeteilt werden. Bei zwei Schritten spricht man von Double Patterning.
SADP (selbstjustierte Doppelstrukturierung)
Technik, bei der an den Seitenwänden eines Kernmusters eine Schicht (Spacer) erzeugt, der Kern entfernt und der Spacer als Maske genutzt wird, sodass der halbe lithografische Mindestabstand (Pitch) entsteht. Zweimalige Anwendung heißt SAQP.
Overlay (Überlagerungsgenauigkeit)
Maß dafür, wie genau ein neues Muster relativ zum im vorigen Schritt erzeugten Muster platziert werden kann. Versatz führt zu Fehlern wie verfehlten Kontakten und wird im Nanometerbereich kontrolliert.
ALD (Atomlagenabscheidung)
Abscheideverfahren, bei dem selbstlimitierende Oberflächenreaktionen von Precursor-Gasen wiederholt werden, sodass die Schichtdicke lagenweise im atomaren Maßstab gesteuert wird.
Hartmaske
Harte Maske aus Nitrid, Kohlenstoff oder Metall, die eingesetzt wird, wenn Fotolack allein z. B. beim Ätzen tiefer Löcher als Maske nicht ausreicht.
Immersionslithografie
Belichtungsverfahren, bei dem der Raum zwischen Linse und Wafer mit Wasser gefüllt wird. Die numerische Apertur kann über 1 liegen, sodass mit dem ArF-Excimerlaser feinere Strukturen entstehen.
EUV-Lithografie
Belichtungstechnik mit extrem ultraviolettem Licht der Wellenlänge 13,5 nm. Sie verwendet Spiegeloptik und eine Vakuumumgebung.

Verwandte Vergleiche