填充/切割自对齐双模式

作者:David Abercrombie, Rehab Ali, Ahmed hamede - fatehy, Shetha Nolke

自对准双图版(SADP)是一种替代传统的蚀刻(LELE)方法的双图版工艺，用于大多数先进的生产节点。两种方法之间的主要区别是，在LELE中，布局被分为两个掩模，第二个掩模在制造过程中相对于第一个掩模对齐，而SADP使用自对齐到第一个蚀刻步骤的间隔器生成pitch(掩模)分割。SADP过程中的第二个蒙版是块或切割蒙版，用于修剪第一步中创建的线条的尖端和/或删除虚拟线条。因此，由于掩模不对中，SADP方法产生的变化较小(图1)。

图1。LELE DP与SADP过程控制的比较。

有两种常用的SADP方法:间隔器是电介质(SID)和间隔器是掩模(SIM)。有关这些SADP过程中的制造步骤的详细信息，您可以参考本博客[1][2]中的早期文章。由于大多数晶圆代工厂目前更倾向于采用SID方法进行金属互连层，我们将探索SID- sadp工艺的使用。

SID-SADP过程中有两种主要方法。第一种技术使用芯轴掩模和块掩模。芯轴掩膜包含一些目标线，而块掩膜用电介质保护金属目标之间的所有空间。这种方法会导致复杂的块掩码，可能很难打印[1][2]。第二种方法是填充/切割方法，通过将所有目标线延伸到边界来应用心轴填充，并添加一些额外的虚拟线以保持侧壁宽度。第二个蒙版是切割蒙版，用于在线条中创建间隙，以定义线条的功能段。虽然这种方法在原始设计中添加了大量的虚拟金属，但它没有电连接，因此电容影响最小[3]。

第二种方法的芯棒填充和切割掩模更易于光刻，与芯棒/块方法[2]相比更容易打印。填充/切割方法的主要挑战之一是切割形状之间的间距约束为路由器增加了约束。滑动切割可以作为缓解这些限制的解决方案，但其使用会导致目标扩展，增加网络的电容。然而，一般来说，这种额外的电容的影响可以最小化，以不影响整体电路性能。

这种独特的布局分解类型为自定义和位置-路线设计实现和检查流程带来了一组全新的挑战。尽管设计实现工具可能能够解决这种类型的多模式的一些基本方面和约束，甚至可以从基本的lele类型分解中看到，但这些工具可能具有导致大量错误的重大限制。使用验证工具非常关键，这些工具不仅可以检查约束的全部策略，而且还可以提供有效的错误可视化、全面的布局分解，甚至一些自动化的错误修复。

填充/切割SADP分解

在使用填充/切割SADP技术时，为了简化设计的分解，假定所有目标形状都是单向矩形(SADP在重大约束下允许有限的2D形状—我们将在后面讨论这些)。此外，同一轨道上的所有目标形状必须彼此完美对齐，并且必须具有相同的宽度(图2)。最小目标/轨道宽度由铸造厂根据所选节点的打印限制定义。

图2。符合sadp的目标设计。

正如前面文章[1][2]中所讨论的，目标矩形由心轴轨道和非心轴轨道容纳，它们之间有间距限制，由侧壁宽度定义。目标形状在首选方向上彼此之间有间距限制，由最小面积限制和切割形状尺寸(这些切割用于在同一轨道上的目标形状之间创建间隙)定义，以及在非首选方向上彼此之间有间距限制，由侧壁宽度定义。

在填充/切割方法中，将所有目标形状扩展到被分解区域的边界，形成占用轨道(图3)。如果非优选方向的目标形状之间存在较大的空间，如图2中间的目标形状，则在此空间中填充虚拟轨道，以保持侧壁宽度不变。为了能够在此空间添加虚拟履带，目标形状之间的空间必须完全等于侧壁宽度，或者必须是的倍数整数轨道宽度+ 2(侧壁宽度)．此外，如果在第一个或最后一个目标形状和边界之间有一个空间，这个空间也会被虚拟轨道填充。通常，边界内的第一个和最后一个虚拟轨道的宽度大于最小轨道宽度。这些特定的虚拟航迹称为终端虚拟航迹，因为它们用于定义SADP区域的边缘。然后，一半的轨道被分配给芯轴掩码，另一半被定义为非芯轴轨道。

图3。占用轨道和虚拟轨道。

填充/切割SID SADP过程的“魔力”在于能够轻松创建这些自对齐的并行轨道。比较困难的部分是定义被占用轨道上目标的线端点。我们需要一个蚀刻停止在每一行结束，以阻止蚀刻过程在这些位置。这种蚀刻停止掩模被一些铸造厂称为“块掩模”(因为它在行结束处阻止蚀刻)，而另一些铸造厂称其为“切割掩模”(因为它通过切割轨道来定义行结束)。这两种命名约定指的是同一个东西。因为蚀刻停止是作为一个矩形放置在一行的末尾，我们通常将这个矩形称为“切割”，我们将蚀刻停止蒙版称为切割蒙版。图4显示了目标线端的切割位置。

图4。切割目标线端位置。

在最简单的情况下，通过在每个目标行的末尾放置一个矩形来生成切割蒙版。这个矩形的长度是基于它将切割的轨道的宽度。因此，切割的蒙版包含各种不同大小的矩形。行结束处的切割位置自动将行结束到行结束的间距关联为切割到切割的间距。然而，这种横向间距约束并不是不同尺寸的切口之间存在的唯一约束。切割掩模与传统的触点掩模非常相似，对触点的尺寸有限制，不同触点之间有不同的间距限制。对于切割蒙版形状，根据切割的大小及其相对于其他相邻切割的位置，切割之间有不同的间距约束。

然而，位置和路径工具实际上并不理解切割。它们的操作基于直线对齐和交错规则。当相邻的轨道线两端对齐时，可以在线两端放置一个单独的长矩形来定义两个切割。这个概念通常被称为切割归并。为了避免在两个切分之间发生最小的间隔冲突，将它们合并为单个长切分。如果行端没有对齐，那么切割合并是不可能的，因为它将产生具有微小慢跑的非矩形切割，由行端位置的差异定义。

此外，切割不能在无限数量的轨道上合并成非常高窄的形状，因为这些形状将很难使用通孔/接触型过程打印。换句话说，切割的最大长度是有限制的，这与切割尺寸和切割长度和宽度之间的纵横比有关。

电子设计自动化(EDA)多图案(MP)功能，就像Calibre多图案工具中发现的那样，可以使用不同的风格为设计师生成轨道。例如，设计师可以确定所生成的轨道的最小允许宽度，工具将生成宽度等于或大于此最小宽度的轨道(宽度大于最小轨道宽度的虚拟轨道可以用于保持轨道之间的恒定间距，如图3中间的宽虚拟轨道所示)。另一种风格的轨道生成定义了特定的轨道宽度集，工具从这些离散的宽度中选择生成轨迹。在一些高级情况下，设计人员还可以定义由工具生成的轨道宽度的顺序。

填充/切割SADP错误调试

Calibre Multi-Patterning工具还可以帮助设计人员调试他们的SADP设计。该工具可以很容易地检测出违反彼此之间间距限制的目标形状，以及具有不同宽度的目标形状或相对于同一轨道上的其他目标不对齐的目标形状(图5)。

图5。违反SADP约束的不同类型的非法目标形状和间距。

只要轨道的一半分配给芯轴轨道，另一半分配给非芯轴轨道，设计师就可以强制将一些目标形状分配给芯轴或非芯轴轨道。Calibre Multi-Patterning工具不仅可以帮助设计人员将目标形状锚定到心轴或非心轴轨道上，还可以检测轨道之间或同一轨道中目标形状之间的锚定冲突，如图6所示。

图6。不同类型的锚冲突。

当涉及到切割面具时，主要关心的是满足强加在切割面具上的规则。跨轨切割合并是避免小尺寸切割之间的间距限制的简单方法，但如果我们没有完美对齐的线端怎么办?在这些情况下，可以滑动切割以保持对齐并促进合并。这可以跨越多个轨道，也可以从切割的两侧进行，如图7所示。

图7。滑动切割为了合并切割。

切割滑动的一个明显副作用是晶圆上的最终目标线将比最初绘制的更长，这增加了网络的电容。重要的是要描述由于切割滑动造成的寄生电容的变化，即使这种影响通常很小。Calibre Multi-Patterning工具支持限制最大线端延伸的能力，用于解决切割问题，帮助控制这些类型的影响。

切割滑动的另一个限制是滑动不应该增加合并切割和相邻切割之间的间距冲突。然而，切割滑动实际上可以用来避免违反切割之间的间距规则。例如，在图8中，中间的切口与其相邻的两个切口之间存在间距冲突。中间切割可以向右滑动，以消除这种间距限制的违反，只要滑动不会与右边的长切割产生新的间距违反。

图8。切割滑动，以消除切割之间的间距违规。

偶尔，在两个目标的行端之间可能会有一个间隙，这个间隙不够宽，以至于不能在两个切口之间有有效的间距的情况下在每个行端进行切割。在这种情况下，可以去掉两个切口中的一个，并且只放置一个延伸一个或两个线端点的切口(图9)。

图9。放弃切割的不同选择。

切割滑动、切割合并和切割下降的不同组合可用于遵守各种不同的切割掩码规则，如切割之间的间距约束和最大允许切割长度。然而，设计人员必须意识到，使用任何这些解决方案都会进一步增加切割掩模生成的复杂性。

可供选择的切割印刷工艺

当考虑在越来越小的节点上对SID SADP分解的芯轴填充/切割掩模方法时，可能有必要考虑其他切割打印工艺，以实现更紧密的切割掩模间距，同时保持符合工艺能力。虽然总是有一个芯轴掩模，但这些替代方案可能使用两个或多个切割掩模进行单层分解。尽管这些解决方案的成本和复杂性都有所增加，但好处是能够在满足制造工艺限制的同时实现更紧凑的间距设计。

实现切割掩模配置的另一种方法是在切割掩模形状上使用传统的LELE双(或多个)模式分解。一旦定义了切割，就可以运行后续分解，将切割的掩模形状分割成两种(或更多)颜色。这使得切割具有更高的密度，而不需要升级光刻方法。根据技术节点的不同，这种方法可以扩展到三个甚至四个切割掩模。虽然切割密度的增加对于实现更复杂的设计是有用的，但它伴随着叠加引起的误差的权衡。

要考虑的另一个选项是切割策略，该策略与正在构建导线的轨道的颜色保持一致。这通常被称为“选择性蚀刻”切割[4]。通过这个过程，轨道的两种颜色是用两种不同的材料创建的，它们具有不同的蚀刻特性。这种方法将切割分割成两种颜色，基于哪个轨道将被切割(图11)。从本质上讲，切割分为切割芯轴轨道的切割和切割非芯轴轨道的切割。选择性蚀刻切割成功的秘诀在于，芯轴轨迹可以干扰非芯轴切割而不受其影响，反之亦然，非芯轴轨迹和芯轴切割。这使得切割形状能够跨越未受影响的轨道，使切割形状更容易解析。虽然有一些与叠加对齐相关的问题，但这种方法受益于具有更稳定的切割掩模解决方案，从而在最终解决方案中产生更少的边缘放置错误。

图11。有选择性的削减

SID-SADP当然是一个复杂的过程，在概念上与LELE MP完全不同，了解它的需求和挑战，并为其开发最佳实践，对于在前沿节点工作的设计师来说是必不可少的。SID-SADP过程流成功采用的部分原因是认识到现有的设计实现工具可能存在不足。添加功能齐全的MP验证工具，可以确保约束遵从性，提供高效的错误可视化和调试帮助(包括一些自动的错误修复)，并在需要时提供全面的分解，可以提供设计人员在应用这些复杂分解策略时所寻找的信心。

引用:
[1]阿伯克龙比，大卫。“自对齐双模式，第一部分”，SemiEngineering, 2014年5月15日。新利体育下载注册http://新利体育下载注册www.es-frst.com/self-aligned-double-patterning-part-one/
[2]阿伯克龙比，大卫。“自对齐双模式-第二部分”，《半工程》，2014年8月14日。新利体育下载注册http://新利体育下载注册www.es-frst.com/self-aligned-double-patterning-part-deux/
[3] W.吉利金斯;S. M. Y.谢拉齐;d . Trivkovic;b . Chava;b”;诉Gerousis;p . Raghavan;j . Ryckaert;k . Mercha;d . Verkest; G. McIntyre; K. Ronse. Impact of a SADP flow on the design and process for N10/N7 metal layers. Proc. SPIE 9427, Design-Process-Technology Co-optimization for Manufacturability IX, 942709 (March 18, 2015); doi:10.1117/12.2085923.
http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2210403
[4]刘宏毅;Ting汉;6周;陈。模块化技术的布局分解和综合，通过结合选择蚀刻、直接拼接和交替材料自对准多重图案工艺来解决边缘放置挑战。SPIE 9781，可制造性设计-过程-技术协同优化X, 97810P(2016年3月16日);doi: 10.1117/12.2219082。
http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2505332

Rehab Ali是Mentor Graphics公司的产品工程师。在过去的两年里，她一直在研究多模式问题，重点是SADP过程。Rehab在开罗大学获得电子与通信工程学士学位，在开罗美国大学获得纳米技术硕士学位。

Ahmed Hamed-Fatehy是Mentor Graphics公司的高级产品工程师。在过去的几年里，他为EDA工具的开发做出了贡献，这些工具解决了与多模式、分辨率增强技术和集成制造流程相关的问题。艾哈迈德在埃及开罗大学获得BSEE和MSEE学位。

Shetha Nolke是Mentor Graphics Calibre物理验证团队的技术营销工程师。Shetha与客户合作，优化他们的物理验证流程，并在Mentor Graphics EDA工具套件中推动SID切割/填充解决方案的开发。她在德州农工大学获得化学工程学士学位。