Технологии повышения разрешения в фотолитографии интегральных схем.

Введение

Часть фотолитографии интегральных схем. Технологии повышения разрешения — это методы, используемые для модификации фотомасок в литографических процессах, применяемых при производстве интегральных схем (ИС или "чипов"), для компенсации ограничений оптического разрешения проекционных систем. Эти процессы позволяют создавать элементы, размеры которых значительно меньше, чем предел, обычно определяемый критерием Рэлея. Современные технологии позволяют создавать элементы размером около 5 нанометров (нм), что значительно ниже обычного разрешения, достижимого при использовании глубокого ультрафиолетового излучения (DUV).

Предыстория

Интегрированные схемы создаются в многоступенчатом процессе, известном как фотолитография. Этот процесс начинается с проектирования схемы ИС в виде серии слоев, которые будут сформированы на поверхности пластины кремния или другого полупроводникового материала, называемой пластиной. Каждый слой конечного дизайна наносится на фотомаску, которая в современных системах изготавливается из тонких линий хрома, осажденных на высокоочищенном кварцевом стекле. Хром используется из-за его высокой непрозрачности для ультрафиолетового света, а кварц – из-за его ограниченного теплового расширения при воздействии интенсивного тепла источников света, а также высокой прозрачности для ультрафиолетового света. Маску располагают над пластиной и затем подвергают воздействию интенсивного источника ультрафиолетового света. При наличии соответствующей оптической системы формирования изображения между маской и пластиной (или при отсутствии такой системы, если маска расположена достаточно близко к пластине, как в ранних литографических машинах), рисунок маски проецируется на тонкий слой фоторезиста на поверхности пластины, и облученная (УФ или EUV) часть фоторезиста претерпевает химические реакции, в результате чего фотографический рисунок физически создается на пластине. Когда свет проходит через рисунок, подобный рисунку на маске, возникают дифракционные эффекты. Это приводит к тому, что резко сфокусированный свет от УФ-лампы рассеивается на дальней стороне маски и становится все более размытым с увеличением расстояния. В ранних системах 1970-х годов, чтобы избежать этих эффектов, маску необходимо было помещать в прямой контакт с пластиной, чтобы уменьшить расстояние между маской и поверхностью. При снятии маски она часто отрывала слой фоторезиста и портила пластину. Проблема создания изображения без дифракции была решена с помощью систем проекционного выравнивания, которые доминировали в производстве микросхем в 1970-х и начале 1980-х годов. Неуклонное развитие закона Мура в конечном итоге достигло предела возможностей проекционных выравнивателей. Предпринимались попытки продлить срок их службы путем перехода к более высоким длинам волн УФ, сначала к DUV, а затем к EUV, но небольшая интенсивность света, излучаемого на этих длинах волн, делала машины непрактичными, требуя огромных ламп и длительного времени экспозиции. Это было решено с помощью степперов, которые использовали маски значительно больших размеров и линзы для уменьшения изображения. Эти системы продолжали совершенствоваться аналогичным образом, но к концу 1990-х годов столкнулись с теми же проблемами. В то время велись активные дебаты о том, как продолжить уменьшение размеров элементов. Системы, использующие эксимерные лазеры в области мягкого рентгеновского излучения, были одним из решений, но они были чрезвычайно дорогими и сложными в эксплуатации. Именно в этот период начали применять методы повышения разрешения.

Integrated circuits are created in a multi step process known as photolithography. This process starts with the design of the IC circuitry as a series of layers than will be patterned onto the surface of a sheet of silicon or other semiconductor material known as a wafer. Each layer of the ultimate design is patterned onto a photomask, which in modern systems is made of fine lines of chromium deposited on highly purified quartz glass. Chromium is used because it is highly opaque to UV light, and quartz because it has limited thermal expansion under the intense heat of the light sources as well as being highly transparent to ultraviolet light. The mask is positioned over the wafer and then exposed to an intense UV light source. With a proper optical imaging system between the mask and the wafer (or no imaging system if the mask is sufficiently closely positioned to the wafer such as in early lithography machines), the mask pattern is imaged on a thin layer of photoresist on the surface of the wafer and a light (UV or EUV) exposed part of the photoresist experiences chemical reactions causing the photographic pattern to be physically created on the wafer. When light shines on a pattern like that on a mask, diffraction effects occur. This causes the sharply focused light from the UV lamp to spread out on the far side of the mask and becoming increasingly unfocussed over distance. In early systems in the 1970s, avoiding these effects required the mask to be placed in direct contact with the wafer in order to reduce the distance from the mask to the surface. When the mask was lifted it would often pull off the resist coating and ruin that wafer. Producing a diffraction free image was ultimately solved through the projection aligner systems, which dominated chip making through the 1970s and early 1980s. The relentless drive of Moore's law ultimately reached the limit of what the projection aligners could handle. Efforts were made to extend their lifetimes by moving to ever higher UV wavelengths, first to DUV and then to EUV, but the small amounts of light given off at these wavelengths made the machines impractical, requiring enormous lamps and long exposure times. This was solved through the introduction of the steppers, which used a mask at much larger sizes and used lenses to reduce the image. These systems continued to improve in a fashion similar to the aligners, but by the late 1990s were also facing the same issues. At the time, there was considerable debate about how to continue the move to smaller features. Systems using excimer lasers in the soft X ray region were one solution, but these were incredibly expensive and difficult to work with. It was at this time that resolution enhancement began to be used.

Основная концепция

Основная концепция, лежащая в основе различных систем повышения разрешения, заключается в творческом использовании дифракции в определенных областях для компенсации дифракции в других. Например, когда свет дифрактирует вокруг линии на маске, он создает серию ярких и темных линий, или "полос", которые размывают желаемый четкий рисунок. Для компенсации этого наносится второй рисунок, чья дифракционная картина перекрывается с желаемыми элементами, а полосы расположены таким образом, чтобы перекрывать полосы исходного рисунка, создавая противоположный эффект – темное на светлом или наоборот. Добавляется множество подобных элементов, и объединенный рисунок формирует исходный элемент. Как правило, на маске эти дополнительные элементы выглядят как дополнительные линии, параллельные желаемому элементу. Добавление этих элементов улучшения постоянно совершенствуется с начала 2000-х годов. Помимо использования дополнительных рисунков, современные системы применяют материалы, сдвигающие фазу, многократное маскирование и другие методы. Вместе они позволили продолжать уменьшать размер элементов до значений, на порядки величины меньших дифракционного предела оптики.

Использование улучшения разрешения

Традиционно, после того как проект ИС был преобразован в физическую разводку, временные характеристики были верифицированы, а полигоны сертифицированы как не содержащие ошибок DRC, ИС был готов к производству. Файлы данных, представляющие различные слои, отправлялись в цех изготовления масок, где оборудование для записи масок преобразовывало каждый слой данных в соответствующую маску, а маски отправлялись на фабрику для многократного изготовления схем на кремниевой пластине. В прошлом создание разводки ИС было завершением участия автоматизированных систем проектирования (EDA). Однако, поскольку закон Мура привел к уменьшению размеров элементов, новые физические эффекты, которые ранее можно было эффективно игнорировать, теперь влияют на элементы, формируемые на кремниевой пластине. Таким образом, даже если окончательная разводка отражает желаемые характеристики в кремнии, она все равно может претерпеть существенные изменения с помощью нескольких инструментов EDA до изготовления и отправки масок. Эти изменения необходимы не для внесения изменений в разработанное устройство, а лишь для того, чтобы производственное оборудование, часто закупленное и оптимизированное для производства ИС одного или двух поколений назад, могло выпускать новые устройства. Эти изменения можно разделить на два типа. Первый тип – коррекция искажений, то есть предварительная компенсация искажений, присущих производственному процессу, будь то этап обработки, такой как: фотолитография, травление, планарная обработка и осаждение. Эти искажения измеряются и строится подходящая модель, компенсация обычно выполняется с использованием алгоритма, основанного на правилах или моделях. При применении к искажениям при печати в процессе фотолитографии эта компенсация искажений известна как оптическая коррекция близости (OPC). Второй тип улучшения ретикулы включает в себя фактическое повышение технологичности или разрешения процесса. Примеры включают:

Traditionally, after an IC design has been converted into a physical layout, the timing verified, and the polygons certified to be DRC clean, the IC was ready for fabrication. The data files representing the various layers were shipped to a mask shop, which used mask writing equipment to convert each data layer into a corresponding mask, and the masks were shipped to the fab where they were used to repeatedly manufacture the designs in silicon. In the past, the creation of the IC layout was the end of the involvement of electronic design automation. However, as Moore's law has driven features to ever smaller dimensions, new physical effects that could be effectively ignored in the past are now affecting the features that are formed on the silicon wafer. So even though the final layout may represent what is desired in silicon, the layout can still undergo dramatic alteration through several EDA tools before the masks are fabricated and shipped. These alterations are required not to make any change in the device as designed, but to simply allow the manufacturing equipment, often purchased and optimized for making ICs one or two generations behind, to deliver the new devices. These alterations can be classed as being of two types. The first type is distortion corrections, namely pre compensating for distortions inherent in the manufacturing process, be it from a processing step, such as: photolithography, etching, planarization, and deposition. These distortions are measured and a suitable model fitted, compensation is carried out usually using a rule or model based algorithm. When applied to printing distortions during photolithography, this distortion compensation is known as Optical Proximity Correction (OPC). The second type of Reticle Enhancement involves actually improving the manufacturability or resolution of the process. Examples of this include:

RET Technique Manufacturability Improvement Scattering Bars Sub resolution assist features that improves the depth of focus of isolated features. Phase shift Mask Etching quartz from certain areas of the mask (alt PSM) or replacing Chrome with phase shifting Molybdenum Silicide layer (attenuated embedded PSM) to improve CD control and increase resolution Double or Multiple Patterning Involves decomposing the design across multiple masks to allow the printing of tighter pitches. For each of these manufacturability improvement techniques there are certain layouts that either cannot be improved or cause issues in printing. These are classed as non compliant layouts. These are avoided either at the design stage using, for instance, Radically Restrictive Design Rules and/or creating addition DRC checks if appropriate. Both the lithographic compensations and manufacturability improvements are usually grouped under the heading resolution enhancement techniques (RET). Such techniques have been used since the 180nm node and have become more aggressively used as minimum feature size as dropped significantly below that of the imaging wavelength, currently limited to 13.5 nm. This is closely related to, and a part of, the more general category of design for manufacturability (IC) or DFM. After RET, the next step in an EDA flow is usually mask data preparation.

| Техника RET | Улучшение технологичности |
|---|---|
| Рассеивающие полосы | Подпороговые вспомогательные элементы, улучшающие глубину резкости изолированных элементов. |
| Фазосдвиговая маска | Травление кварца из определенных областей маски (альтернативная PSM) или замена хрома на слой силицида молибдена с фазовым сдвигом (затухающая встроенная PSM) для улучшения контроля размеров и повышения разрешения. |
| Двойное или многократное маскирование | Разложение схемы на несколько масок для обеспечения печати более плотных рисунков. |

Для каждой из этих техник повышения технологичности существуют определенные разводки, которые либо не могут быть улучшены, либо вызывают проблемы при печати. Они классифицируются как не соответствующие требованиям. Их избегают на этапе проектирования, например, с помощью радикально ограничительных правил проектирования и/или создания дополнительных проверок DRC, если это необходимо. Литографическая компенсация и улучшения технологичности обычно объединяются под общим названием "техники повышения разрешения" (RET). Эти методы используются с 180-нм техпроцесса и стали применяться более активно по мере того, как минимальный размер элемента значительно уменьшился по сравнению с длиной волны изображения, которая в настоящее время ограничена 13,5 нм. Это тесно связано с более общей категорией проектирования для технологичности (IC) или DFM и является ее частью. После RET следующим шагом в потоке EDA обычно является подготовка данных для изготовления масок.