SADP versus SAQP versus LELE: pitchdeling bij multi-patterning, gevoeligheid voor overlay en aantal maskers

Multi-patterning vormt patronen waarvan de pitch te fijn is om in één belichting op te lossen, door ze over meerdere belichtingen of processtappen te verdelen. LELE verdeelt de layout over twee maskers en herhaalt belichting en etsen twee keer, zodat de lijnen tussen elkaar komen te liggen. SADP bouwt spacers op de zijwanden van kernlijnen (mandrels) en verwijdert daarna de mandrels, zodat elke mandrel twee lijnen oplevert en de pitch wordt gehalveerd. SAQP herhaalt het spacerproces twee keer om de pitch door vier te delen. LELE geeft meer vrijheid in de layout, maar vraagt een zeer nauwkeurige overlay tussen de twee belichtingen; SADP en SAQP plaatsen lijnen door zelfuitlijning, maar leveren regelmatige lijnpatronen op en hebben cutmaskers nodig om ongewenste delen te verwijderen.

KenmerkSADPSAQPLELE
Pitchdeling1/2 (twee lijnen per mandrel)1/4 (het spacerproces wordt twee keer uitgevoerd)1/2 (1/3 met drie maskers, LELELE)
Typisch haalbare pitch (met ArF-immersie)De helft van de grens van ongeveer 80 nm voor één belichting, dus ongeveer 40 nmTot iets boven 20 nmIn principe ongeveer 40 nm; in de praktijk begrensd door de overlay
Wat de lijnposities bepaaltPositie van de mandrel en dikte van de spacerfilm (zelfuitgelijnd)Positie van de mandrel en dikte van de twee spacerfilms (zelfuitgelijnd)De positie van elk van de twee belichtingen; de tweede wordt op de eerste uitgelijnd
Gevoeligheid voor overlayDe onderlinge posities van de lijnen worden niet door overlay beïnvloed; cutmaskers moeten wel op de lijnen worden uitgelijndNet als bij SADP worden de lijnen niet beïnvloed; het uitlijnen van de cut- en blokmaskers is nog kritischerZeer gevoelig: elke verschuiving van de tweede belichting verandert direct de tussenruimte tot de naburige lijn
Variatie van lijnbreedte en tussenruimteDe lijnbreedte wordt door de filmdikte bepaald en is uniform; als de mandrelbreedte afwijkt, worden afwisselende tussenruimtes ongelijk (pitch walking)Meer afmetingen dragen bij (mandrelbreedte en twee filmdiktes), dus pitch walking is moeilijker te beheersenDe lijnbreedtes van de twee belichtingen variëren onafhankelijk, en tussenruimtes veranderen met de overlayfout
Maskers (die de lijnen vormen)Eén mandrelmasker plus cut- of blokmaskersEén mandrelmasker plus cut- of blokmaskers (meestal meer dan bij SADP)Twee (drie bij LELELE)
Belangrijkste processtappenBelichting → mandreletsen → spacerdepositie (ALD enz.) → terugetsen → verwijderen van de mandrel → overdracht naar de onderliggende laag → cutDe stappen van SADP plus een tweede spacerdepositie, terugetsen en verwijderen van de mandrelBelichting → etsen → belichting → etsen (achtereenvolgens overgedragen naar een hardmasker of iets vergelijkbaars)
Vrijheid in de layoutLaag: in principe regelmatige lijnen in één richting, waarvan ongewenste delen met cuts worden verwijderdNog lager dan bij SADP: beperkt tot vrijwel uniforme roostersHoog: kan 2D-vormen aan, maar opstellingen die niet in twee kleuren te splitsen zijn (zoals drie patronen die allemaal dicht bij elkaar liggen) zijn niet toegestaan
Typische toepassingenFins, gates, metaallijnen en fijne lijnen in geheugensDe fijnste fins, de dichtste metaallagen en geheugenlijnenContacten, via's en metaallagen met complexe vormen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

SADP
Wanneer regelmatige lijnen in één richting met de halve pitch en een uniforme lijnbreedte nodig zijn. Dichte lijnen kunnen worden gemaakt zonder zorgen over de overlay tussen de lijnen.
SAQP
Wanneer zelfs SADP niet volstaat en de fijnste lijnpitch nodig is. Het heeft de meeste stappen en de hoogste kosten, maar haalt zelfs met ArF-immersie pitches van iets boven 20 nm.
LELE
Wanneer 2D-patronen die geen regelmatige lijnen zijn, zoals contacten en via's, over belichtingen moeten worden verdeeld. De overlay moet zeer strak worden beheerst.
Relatie met EUV
EUV-lithografie heeft veel lagen teruggebracht naar één belichting en het aantal multi-patterningstappen verminderd. Bij de allerfijnste pitches wordt EUV soms nog met spacertechnieken gecombineerd.

Veelgestelde vragen

Waarom is SADP robuust tegen overlayfouten?

Omdat elk paar lijnen ontstaat uit spacers die op beide zijwanden van dezelfde mandrel zijn gevormd. Hun posities worden bepaald door de positie van de mandrel en de spacerdikte, zonder tweede belichting die moet worden uitgelijnd. Bij LELE verandert elke verschuiving van de tweede belichting direct de tussenruimte tot de naburige lijn.

Wat is pitch walking?

Het verschijnsel dat afwisselende tussenruimtes ongelijk worden bij patronering met spacers. De tussenruimte die overblijft waar een mandrel is verwijderd, wordt bepaald door de mandrelbreedte, terwijl de tussenruimte tussen naburige mandrels afhangt van de mandrelpitch, de mandrelbreedte en de spacerdikte; als de mandrelbreedte haar doel mist, verschillen de twee soorten tussenruimte. Bij SAQP dragen meer afmetingen bij, dus is het nog moeilijker te beheersen.

Waarom zijn cutmaskers nodig?

Bij SADP en SAQP lopen de spacers om de uiteinden van de mandrels heen en vormen ze lussen, zodat alleen een regelmatige reeks lijnen overblijft. Om de vormen te krijgen die een schakeling nodig heeft, worden lijneinden en ongewenste delen met een ander masker weggesneden of geblokkeerd. Dat masker wordt ten opzichte van de lijnen geplaatst, dus het vraagt een goede overlay.

Welke opstellingen kunnen bij LELE niet in twee kleuren worden gesplitst?

Opstellingen die een oneven lus vormen, zoals drie patronen die elk te dicht bij de andere twee liggen voor één belichting. Hoe ze ook over twee maskers worden verdeeld, twee patronen die te dicht bij elkaar liggen komen op hetzelfde masker terecht. Ontwerptools markeren zulke opstellingen als fouten die moeten worden opgelost.

Test uw begrip

Welke omschrijving van double patterning (multipatterning) is juist?

  1. ATwee wafers worden tegelijk belicht
  2. BPatronen met een te fijne pitch voor één belichting worden gevormd in meerdere belichtingen of bewerkingen
  3. CMet twee lagen resist over elkaar wordt de resolutie eenvoudig verdubbeld
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Patronen met een te fijne pitch voor één belichting worden gevormd in meerdere belichtingen of bewerkingen

Double patterning is een techniek om patronen met een pitch die in één keer niet oplosbaar is, te vormen door ze op te delen in twee uitgedunde patronen die afzonderlijk worden belicht en bewerkt (LELE), of door het aantal lijnen te verdubbelen met spacers die op de zijwanden zijn gedeponeerd (SADP, SAQP). Hiermee werd de schaalverkleining voortgezet voorbij de grens van ArF-immersie (pitch ongeveer 80 nm) tot een pitch van enkele tientallen nm, maar doordat het aantal processtappen, maskers en de kosten sterk toenemen, is de invoering van EUV-belichting aangedreven.

Wat wordt bij double patterning volgens de LELE-methode (litho-etch-litho-etch) bijzonder streng geëist?

  1. ADe kleur van de resist
  2. BHet aantal belichtingsapparaten
  3. CDe overlay-nauwkeurigheid tussen het eerste en het tweede patroon
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De overlay-nauwkeurigheid tussen het eerste en het tweede patroon

Bij LELE wordt een fijn patroon in twee delen verdeeld en afzonderlijk belicht en geëtst; als het tweede patroon ten opzichte van het eerste verschuift, verandert de afstand tussen naburige lijnen met die verschuiving, wat rechtstreeks leidt tot bedradingscapaciteit en kortsluiting. Bij een afstand van 20 nm en een verschuiving van 2 nm is dat bijvoorbeeld een verandering van 10%. Daarom is een zeer hoge overlay-nauwkeurigheid nodig. Bij SADP met spacers wordt de positie van de lijnen zelfuitgelijnd bepaald, waardoor dit probleem kleiner is.

Welke techniek, die zijwandspacers gebruikt om patronen te maken die fijner zijn dan de limiet van lithografie, wordt gebruikt om de smalle vinnen van FinFET's te maken?

  1. ASADP/SAQP (zelfuitgelijnde dubbele/viervoudige patronering)
  2. BOPC
  3. CCMP
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. SADP/SAQP (zelfuitgelijnde dubbele/viervoudige patronering)

Bij SADP wordt op de zijwanden van een kernpatroon met bijvoorbeeld ALD een uniforme film aangebracht om spacers te vormen en wordt de kern verwijderd, zodat lijnen met tweemaal de oorspronkelijke dichtheid ontstaan. SAQP herhaalt dit twee keer voor vier keer de dichtheid. Omdat de lijnbreedte niet door de belichting maar door de laagdikte wordt bepaald, is de spreiding klein en kunnen vinnen en bedrading worden gevormd die fijner zijn dan de limiet van ArF-immersiebelichting (pitch circa 80 nm). Ook bij EUV-belichting wordt het gecombineerd gebruikt voor de fijnste pitches.

  1. Welke toewijzing van patronen door de ontwerptool is juist bij een layout die uitgaat van double patterning?
  2. Welke methode verbetert, uitgaande van de resolutieformule R = k1 × λ / NA, de resolutie (maakt R kleiner)?

Oefenvragen over Lithografie

Belangrijke termen uitgelegd

Multi-patterning
Techniek waarbij patronen met een te fijne pitch voor één belichting over meerdere belichtingen en bewerkingen worden verdeeld. De variant met twee stappen heet double patterning.
SADP (self-aligned double patterning)
Techniek waarbij op de zijwanden van een kernpatroon een film (spacer) wordt gevormd, de kern wordt verwijderd en de spacers als masker worden gebruikt, zodat een pitch van de helft van de lithografielimiet ontstaat. Tweemaal herhalen heet SAQP.
Overlay (overlaynauwkeurigheid)
Hoe nauwkeurig een nieuw patroon kan worden uitgelijnd op het in een vorige stap gemaakte patroon. Afwijkingen leiden tot defecten zoals contacten die missen, en worden daarom op nanometerschaal bewaakt.
ALD (atomic layer deposition)
Atoomlaagdepositie. Depositiemethode waarbij zelflimiterende oppervlaktereacties van precursorgassen worden herhaald, zodat de laagdikte per atoomlaag wordt geregeld.
Hardmask
Hard masker van bijvoorbeeld nitride, koolstof of metaal, gebruikt wanneer fotoresist alleen niet voldoende standhoudt als masker, zoals bij het etsen van diepe gaten.
Immersielithografie
Belichtingsmethode waarbij de ruimte tussen lens en wafer met water is gevuld. De numerieke apertuur kan hoger dan 1 worden, waardoor met een ArF-excimerlaser fijnere patronen mogelijk zijn.
EUV-belichting
Belichtingstechniek met extreem ultraviolet licht met een golflengte van 13,5 nm. Gebruikt reflecterende optiek en een vacuümomgeving.

Verwante vergelijkingen