亚分辨率辅助图形对28纳米密集线条光刻成像的影响

ＣｈｉｎａｌｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｌｔ
亚分辨率辅助图形
对２８纳米密集线条光刻成像的影响
陈权１，２，段力１，毛智彪２
（１．上海交通大学，上海，２００２４０；
２．上海华力微电子有限公司，上海，２０１２０３）
摘要：亚分辨率辅助图形（Ｓｕｂ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ－Ａｓｓｉｓｔ－Ｆｅａｔｕｒｅ，ＳＲＡＦ）是光刻工艺图形增强技术（Ｒｅｓｏ－ｌｕｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＲＥＴ）中广泛应用的一种方法。

本文设计实验在密集图形（线宽／距离比约１：１）外侧放置不同的ＳＲＡＦ，研究了ＳＲＡＦ对于密集图形内部线条成像的影响，通过实验数据总结和理论分析，提出了最佳的ＳＲＡＦ放置位置。

此外，本文还设计了一种与设计图形线宽一样大小的ＳＲＡＦ，并比较了其与传统尺寸ＳＲＡＦ对密集图形内侧线条成像的影响。

关键词：亚分辨率辅助图形；ＳＲＡＦ；光学邻近效应修正；ＯＰＣ；分辨率
Sub-Resolution-Assist-Feature placement effect
to28nm dense line patterns
ＣＨＥＮＱｕａｎ１，２，ＤＵＡＮＬｉ１，ＭＡＯＺｈｉ－ｂｉａｏ２
（１．ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｈａｎｇｈａｉＨｕａｌｉＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）
Abstract:Ｓｕｂ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ－Ａｓｓｉｓｔ－Ｆｅａｔｕｒｅ（ＳＲＡＦ）ｐｌａｙｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅ－ｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＲＥＴ）．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＳＲＡＦｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏａ２８ｎｍｄｅｎｓｅｌｉｎｅｐａｔｔｅｒｎ，ｔｈｅｂｅｓｔＳＲＡＦｐｌａｃｅｍｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎｗａｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ＳＲＡＦｗｉｔｈｓａｍｅｗｉｄｔｈｏｆｄｅｓｉｇｎｐａｔｔｅｒｎｗａｓａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ．
Key words:Ｓｕｂ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ－Ａｓｓｉｓｔ－Ｆｅａｔｕｒｅ；ＳＲＡＦ；ＯＰＣ；ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｘｉｍｉｔｙＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
图３有问题的密集图形示例
图２ＳＲＡＦ参数的示意图
图１ＳＲＡＦ对设计图形光强分布的影响
１背景介绍
随着集成电路关键尺寸的进一步微缩，ＳＲＡＦ在提高光刻分辨率方面发挥着越来越重要的作用［１］。

从４５纳米制程开始，
ＳＲＡＦ就是必不可少的一项技术。

ＳＲＡＦ技术原理是在分辨率不足的设计图形边上放置不能被光刻成像的ＳＲＡＦ，以提高设计图形的曝光光强，从而帮助设计图形的更好的成像；同时ＳＲＡＦ由于自身尺寸远远小于设计图形，不会被成像到硅片上，所以不会改变原有的设计图形。

对于半密集图形和孤立图形，光学衍射作用导致其光强较弱，且光强分布的斜率（ＩＬＳ，ＩｍａｇｅＬｏｇＳｌｏｐ）较小，致使对比度降低，分辨率不足。

在其周边放置ＳＲＡＦ之后，可以帮助增加其成像的光强；且由于ＳＲＡＦ产生的光波相干，可以增大设计图形的光强分布的斜率，提高对比度和分辨率，如图１所示。

除此之外，ＳＲＡＦ还可以帮助提高设计图形的光刻工艺窗口［２］，增加设计图形在光刻曝光能量、焦距偏差时的工艺稳定性。

随着设计图形之间的距离变大，光刻焦深（ＤＯＦ）急剧变小，但加入ＳＲＡＦ之后，ＤＯＦ显著提高。

一般地，随着设计图形距离变大，ＯＰＣ工程师会相应的置入最多３或４条ＳＲＡＦ用以提高分辨率和ＤＯＦ，距离再变大时，不会置入更多ＳＲＡＦ，因为此时ＳＲＡＦ距离设计图形已经太远，作用非常小，置入更多的ＳＲＡＦ只会耗费更多的ＯＰＣ计算资源。

通常地，ＳＲＡＦ是基于规则进行添加的。

ＳＲＡＦ的放置规则可以用３个参数来表征，即ＳＲＡＦ宽度，ＳＲＡＦ到设计图形的距离，ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ的距离。

如图２所示。

对于特定的光刻工艺，因为密集图形
被认为是没有机会在其图形中间放置ＳＲＡＦ的，故ＳＲＡＦ规则大都是通过收集半密集图形和孤立图形硅片数据确定的。

通常ＳＲＡＦ的线宽会远小于设计图形的线宽，根据业界经验，ＳＲＡＦ线宽大约为０．２λ／ＮＡ（λ为光源波长，ＮＡ为数值孔径）；ＳＲＡＦ到设计图形的距离大约为０．６λ／ＮＡ［３］。

ＯＰＣ工程师在上述公式计算结果附近，设计不同的ＳＲＡＦ规则，收集半密集图形和孤立图形的光刻分辨率与ＤＯＦ，选择分辨率高、ＤＯＦ大的ＳＲＡＦ规则作为整个芯片ＳＲＡＦ放置的规则，而同时需保证ＳＲＡＦ在光刻工艺窗口内都不能成像［４］，
以免在硅片上造成图形残留。

但是在逻辑芯片的某些密集图形上，会发现现行的ＳＲＡＦ放置规则并不是最优化的，而且还会造成较大的线宽偏差，从而影响工艺的良率。

图３
列举了
２
个密集图形线宽偏差的例子。

这些密集图形的线宽／距离比约１：１，硅片线宽要求４６纳米。

其最外侧放置有基于规则的ＳＲＡＦ，并通过ＯＰＣ模型的修正。

在硅片上进行验证时，密集图形最外面线条可以做到４６纳米的要求，但外侧第二条、第三条线条出现比
ＣｈｉｎａｌｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｌｔ
图５ＳＲＡＦ实验条件的参数定义
较大的偏差。

第一个图形是一个三条线的图形，内侧线条硅片光刻胶线宽偏差２．４纳米；第二个图形是一个五条线的图形，内侧线条硅片光刻胶线宽偏差２．９纳米。

这样的偏差难以满足２８纳米工艺的要求，需要进行相应的分析与改善。

本文将针对此问题进行深入的分析，并展开相应的ＳＲＡＦ放置规则优化的实验，来分析ＳＲＡＦ放置规则对解决此问题的影响。

２实验与分析
２．１实验设计
通过对这些密集图形的ＳＲＡＦ规则、掩膜版线宽、掩膜版间距（ｐｉｔｃｈ）等参数的分析，如图４所示。

发现两个密集图形的内侧线条的掩膜版线宽比最外侧线条要小很多，对于第二个图形，内侧线条的掩膜版线宽会小２０纳米。

可能的原因是由于ＳＲＡＦ放置规则对此类图形不是最优化的，对增加最外侧线条的分辨率帮助不大，最外侧线条对应地增大了掩膜版线宽来达到设计要求。

但这会导致内侧线条的空间受到很大挤压，间距变小，掩膜版线宽最终急剧变小。

示例的两个图形内侧线条的掩膜版间距都比设计图形间距（１００纳米）明显变小，这都将减小其光刻成像的分辨率，削弱光刻工艺稳定性，造成较大的光刻胶线宽偏差。

为分析造成这些问题的原因，我们设计了ＳＲＡＦ放置的仿真实验。

通过在密集图形外侧放置不同规则的ＳＲＡＦ，并进行正常的ＯＰＣ修正，收集并分析密集图形最外侧线条和内侧线条的掩膜版图形与硅片数据，总结ＳＲＡＦ的影响。

实验在２８纳米光刻工艺上展开，使用浸没式光刻机，ｄｉｐｏｌｅ光源，数值孔径为１．３５．实验对象为一个三条线的设计图形，每条线光刻胶要求的线宽都是４６纳米，如图５所示。

最外侧线宽定义为Ｌ１，内部线宽为Ｌ２，其之间
的距离为Ｓ１，内部线宽间距为Ｐ１。

先行利用原有的ＳＲＡＦ放置规则，在此实验图形外侧放置ＳＲＡＦ。

ＳＲＡＦ线宽为２４纳米，ＳＲＡＦ到设计图形距离为８０纳米，ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离为７０纳米。

在此基础上，进行ＳＲＡＦ规格的变化，收集并分析设计图形的相关数据。

首先，我们在原有ＳＲＡＦ放置规则的基础上确定ＳＲＡＦ的３个参数可以变化的范围。

通过收集硅
片光刻胶数据，在工艺窗口内ＳＲＡＦ不会成像的极限为：ＳＲＡＦ线宽２８纳米；ＳＲＡＦ到设计图形距离６４纳米；ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离５４纳米。

后续的实验条件在此范围内展开。

２．２ＳＲＡＦ线宽实验
实验一，我们先研究了ＳＲＡＦ线宽的影响。

在原有ＳＲＡＦ放置规则确定的ＳＲＡＦ线宽２４纳米的基础上，分别变大／变小２纳米、
４
纳米，共５个实验条件。

每个实验条件的ＳＲＡＦ到设计图形距离和ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ
距离保持不变。

对放置ＳＲＡＦ后的图形进行
图４掩膜版线宽分析
表３实验三的掩膜版尺寸
表２实验二的掩膜版尺寸（纳米）
表１实验一的掩膜版尺寸（纳米）
正常的ＯＰＣ修正，然后检查修正后的掩膜版线宽。

实验数据如表１所示。

随着ＳＲＡＦ线宽变大，最外侧线条线宽的变化很小，从５０．５纳米减小到４９．７纳米，但是内侧线条掩膜版线宽Ｌ２没有变大，保持着较小的线宽；内侧线条掩膜版间距Ｐ１也几乎没有变化。

从实验结果可以看到ＳＲＡＦ线宽变化对改善密集图形内侧线条的分辨率没有明显的作用。

２．３ＳＲＡＦ到设计图形距离实验
实验二，我们接着研究了ＳＲＡＦ到设计图形距离的影响。

在原有ＳＲＡＦ放置规则确定的ＳＲＡＦ到设计图形距离８０纳米的基础上，分别等步长的增加／减少至１６纳米，共９个实验条件。

每个实验条件的ＳＲＡＦ线宽和ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离保持不变。

同样地进行ＯＰＣ修正，然后检查修正后的掩膜版线宽。

实验数据如表２所示。

随着ＳＲＡＦ到设计图形距离由远及近，最外侧线条的的掩膜版线宽Ｌ１先变大至５１纳米然后又变小；内侧线条掩膜版线宽Ｌ２持续的变大直至４０纳米，得到的明显的改善。

同样的内侧线条掩膜版间距Ｐ１也得到了明显的改善。

此实验显示，ＳＲＡＦ到设计图形距离对密集图形内侧线条的分辨率有积极的影响。

如图６所示。

２．４ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离实验
实验三继续研究ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离的影响。

在ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离７０纳米的基础上，等步长的增加／减少至１６纳米，共９个实验条件。

每个实验条件的ＳＲＡＦ线宽和ＳＲＡＦ到设计图形距离保持不变。

检查修正后的掩膜版线宽，实验数据如表３所示。

随着ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离由远及近，所有线条的
线宽变化都很小，内侧线条掩膜版线宽Ｌ２
及间距Ｐ１都没有得到明显的改善。

从实验结果可以看到ＳＲＡＦ
到ＳＲＡＦ距离对改善密集图形内侧线条的分辨率没有明显的作用。

２．５ＳＲＡＦ实验结果总结
综合上述３个仿真实验的结果可以得知，ＳＲＡＦ到设计图形距离对改善密集图形内侧线条的分辨率有积极的影响。

为验证仿真实验的结论，我们将实验二中各个实验条件的版图制作成掩膜版，利用实验中的光刻工艺进行曝光，收集实验图形的外侧线
图６ＳＲＡＦ到设计图形距离的实验结果分析图
ＣｈｉｎａｌｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｌｔ
表４大尺寸ＳＲＡＦ实验的掩膜版尺寸
图７实验二的硅片数据验证
条和内侧线条的光刻胶线宽值，如图７所示。

随着ＳＲＡＦ逐渐靠近实验图形，外侧线条的光刻胶线宽Ｌ１没有明显变化，而内侧线条的光刻胶线宽Ｌ２由有明显的变大的趋势，在ＳＲＡＦ到设计图形距离为６８～７２纳米时，就可以达到目标值４６纳米。

硅片验证结果证明了仿真实验的结果的正确性。

２．６大线宽ＳＲＡＦ的研究
实验四继续研究了一种非常规的大尺寸ＳＲＡＦ放置方法。

与传统的ＳＲＡＦ线宽远小于设计图形线宽不同，本实验放置了与设计图形线宽一样大小的ＳＲＡＦ。

为防止ＳＲＡＦ在硅片上成像，ＳＲＡＦ被切成一个个小段，如图８所示。

这样，３条线的实验图形在变成了类似７条线的图形，中间线条周围环境相对地更加单一，其稳定性也会相应的提高。

修正后的Ｌ２增加到了３８纳米，间距Ｐ１增加到了９３．５纳米。

硅片验证结果中间线条的光刻胶线宽准确做到目标值４６纳米。

３讨论
为理解实验二所得结论的光学原理，我们先利用空间光强分布图［５］分析了ＳＲＡＦ如何增强设计图形的分辨率。

图９为实验图形和ＳＲＡＦ的空间光强分布图。

对设计图形，三个线条为不透光区，对应的三个主峰（ＭａｉｎＬｏｂｅ）光强最小。

由于小孔衍射，在主峰外侧还有若干次级峰（ＳｉｄｅＬｏｂｅ）［６］。

当ＳＲＡＦ的主峰刚好与设计图形的第一个次级峰重叠的时候，次级峰可以得到最大程度的加强，进而可以更大
的影响最外侧线条的光强和ＩＬＳ，并间接的影响内侧线条的光强，改善其分辨率。

如图１０所示，我们比较了原有ＳＲＡＦ到设计图形距离８０纳米，与实验二优化的最佳距离６８纳米的实验图形光强分布，可以明显的看出，优化的ＳＲＡＦ距离明显的增加了设计图形次级峰的光强，进而增大了内侧线条的ＩＬＳ和对比度（最大光强与最小光强的差值），显著的改善了分辨率。

对于实验四放置与设计图形尺寸相当的ＳＲＡＦ，我们仿真了其光强分布图并与实验二中最佳ＳＲＡＦ时光强分布图进行了对比，如图１１所示。

实验四中的ＳＲＡＦ可以更进一步的增强内侧线条的ＩＬＳ和对比度，最终改善了其分辨率。

但由于此ＳＲＡＦ线宽很大，其光强明显变强，比普通的ＳＲＡＦ更接近于成像的阈值，在应用时需确保其光强与成像的阈值有足够安全的距离。

４结论
ＯＰＣ
对于密集图形外侧放置的ＳＲＡＦ，当使用线宽远远小于设计图形尺寸的ＳＲＡＦ时，不但会影响最外侧线条的分辨率，还会影响到紧邻的内部线
条的光刻成像分辨率。

对内侧线条分辨率有明显影响的是ＳＲＡＦ到设计图形的距离，而ＳＲＡＦ线宽、
ＳＲＡＦ到ＳＲＡＦ距离等参数的影响相对有限。

通过总
图８大尺寸ＳＲＡＦ的设计样式
图１１实验二、
四ＳＲＡＦ光强分布影响对比９（ａ）设计图形的光强分布图
９（ｂ）ＳＲＡＦ的光强分布图
图９ＳＲＡＦ最佳放置位置示意图
图１０ＳＲＡＦ对内侧线条光强分布影响示意图
结ＳＲＡＦ实验结果和光强分布图的分析可知，对于此类密集图形，ＳＲＡＦ最佳放置位置为最外侧线条的第一个次级峰处，ＳＲＡＦ在此处能最大限度的加强最外侧线条的分辨率，进而可以显著的改善紧邻的内侧线条的分辨率。

若使用与设计图形尺寸相当的ＳＲＡＦ，也可以明显的改善内侧线条的光刻成像分辨率，但必须将
其断开足够大的距离，以确保其光强与成像阈值有足够安全
的距离。

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ｒａｔｉｏｕｔｉｌｉｚｉｎｇｉｔｅｒａｔｉｖｅｆａｓｔＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＡＥＭＣ），Ｄｅｃ．２０１１，２０１１ＩＥＥＥ，１－４．
作者简介
陈权，上海交通大学微电子学院硕士研究生，上海华力微电子有限公司研发部科长级工程师，在掩模版、光刻、ＯＰＣ方向有厚实的理论基础和丰富的专业经验。

ＣＩＣ。