Auf einem DRAM-Chip kann die Strukturierung von Merkmalen außerhalb des Zellenarrays eine ebenso große Herausforderung darstellen wie die Strukturierung von Merkmalen innerhalb des Arrays selbst. Das Array enthält zwar Features, die am dichtesten gepackt sind, aber zumindest sind sie regelmäßig angeordnet. Außerhalb der Reihe hingegen geht die Regelmäßigkeit verloren, aber in den schwierigsten Fällen können die Tonhöhen immer noch mit denen innerhalb der Reihe vergleichbar sein, wenn auch im Allgemeinen größer. Solche Merkmale sind die untersten Metallleitungen in der Peripherie für die Schaltkreise des Leseverstärkers (SA) und des Subwortleitungstreibers (SWD). Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, dass diese Linien mäandrierend aussehen und die Tonhöhe über einen gewissen Bereich variiert (Abbildung 1). Das maximale/minimale Pitch-Verhältnis kann zwischen ~1.4 und 2 liegen. Die Abbildungsleistung von zwei oder mehr Pitches zusammen kann nicht anhand der Abbildungsleistung jedes dieser Pitches einzeln beurteilt werden.

Abbildung 1. Unterschiedlicher Abstand in Metallleitungen in der DRAM-Peripherie. Von rechts ist die Tonhöhe minimal, von links ist sie jedoch fast doppelt so hoch wie die minimale Tonhöhe.

Das Linienbild für einen festen Abstand entsteht aus der Interferenz von mindestens zwei Strahlen, die aus der Pupille austreten und durch das Endobjektiv mit numerischer Apertur NA gehen. Der maximale Phasenfehler zwischen zwei beliebigen Strahlen beeinflusst die Verschlechterung des Bildes, wenn es unscharf wird. In einem EUV-System mit 0.33 NA kann ein 44-nm-Pitch-Bild nur aus zwei Strahlen erzeugt werden, während das 66-nm-Pitch-Bild aus zwei, drei oder vier Strahlen erzeugt werden kann. Abbildung 2 zeigt das interessante Ergebnis, dass das Zweistrahlbild den geringsten maximalen Phasenfehler aufweist. Dies liegt der Existenz verbotener Tonhöhen bei Dipolbeleuchtung zugrunde [1]. Dies hat den Zwei-Masken-Belichtungsansatz vorangetrieben [2].

Abbildung 2. Phasenfehler für verschiedene Bilder bei 66 nm Pitch im Vergleich zu 44 nm Pitch bei 45 nm Defokussierung in einem 0.33 NA EUV-System. Zweistrahlbilder ergeben den geringsten Phasenfehler.

Leider unterstützen nur 10 % der Pupille im 0.33 NA EUV-System die Zweistrahl-Bildgebung sowohl für 44-nm- als auch für 66-nm-Abstände (Abbildung 3). Durch die Lichtunterbrechung am Kondensor wird das für die Belichtung verfügbare Licht reduziert [3]. Die nutzbare Pupillenfüllung wird weiter auf 0 reduziert, indem die Pupillenrotation über den Schlitz hinweg berücksichtigt wird [4].

Abbildung 3. Teil einer 0.33 NA EUV-Pupille, die die Zweistrahl-Bildgebung für 44-nm- und 66-nm-Abstände unterstützt, in der Schlitzmitte (blau) und am Schlitzrand (orange) nach einer Drehung um 18 Grad. Kein Teil der Pupille unterstützt die Abbildung konsistent über den Spalt hinweg.

Noch schlimmer wird es für das High-NA 0.55 NA EUV-System, da auf jeden Fall mindestens drei Strahlen aus der Pupille austreten und die Schärfentiefe durch die höhere NA weiter verringert wird.

Wenn stattdessen ein DUV 1.35 NA-System verwendet würde, ist eine doppelte Strukturierung erforderlich, um sowohl 44-nm- als auch 66-nm-Abstände zu erreichen. Somit werden tatsächlich Abstände von 88 nm und 132 nm belichtet. Beide verwenden die Zweistrahl-Bildgebung, was ein gutes Zeichen dafür ist, eine Beleuchtung zu finden, die für beide Tonhöhen eine ausreichende Tiefenschärfe aufweist (Abbildung 4).

Abbildung 4. Phasenfehler für 88-nm- und 132-nm-Abstände unter 45-nm-Defokussierung in einem 1.35 NA ArF (DUV)-System für eine optimierte Dipolbeleuchtungsform (Einschub).

An diesem Punkt können wir einige lithografische Anforderungen für die Metallleitungsstrukturierung für SA- und SWD-Schaltkreise verallgemeinern. Um eine Zweistrahl-Bildgebung aufrechtzuerhalten, sollte das Verhältnis von maximalem zu minimalem Abstand <2 sein, was dem halben Abstand k1=0.5 bzw. k1=0.25 entspricht. Bei einem Max/Min-Pitch-Verhältnis von 1.5 können aktuelle DUV-Systeme mit 1.35 NA einen minimalen Pitch von 80 nm und einen maximalen Pitch von 120 nm ohne doppelte Strukturierung unterstützen. Sobald jedoch eine doppelte Strukturierung verwendet wird, sollte der maximale Linienabstand ~90 nm nicht überschreiten. Das maximale/minimale Pitch-Verhältnis muss möglicherweise entsprechend angepasst werden. Aufgrund der mäandrierenden Natur der Metallleitungen wäre es nicht unangemessen, wenn beispielsweise drei Metallleitungen (3 Steigungen) in einem Abschnitt die gleiche Ausdehnung haben wie 2 Metallleitungen (4 Steigungen) in einem anderen Abschnitt. Diese gerade-ungerade Ungleichheit könnte durch Teilen und Zusammenfügen des ungeraden Metallelements behoben werden, wie in Abbildung 3 dargestellt [5].

Abbildung 5. Das Aufteilen eines Layouts mit einer geraden und ungeraden Anzahl von Linien kann gelöst werden, indem das ungerade Element, das zusammengefügt werden soll, mit dem doppelten Muster geteilt wird.

Wenn der minimale Linienabstand kleiner als ~40 nm wird (über 13 nm DRAM-Knoten [7]), sollten wir damit rechnen, dass aus der DUV-Doppelstrukturierung eine Vierfachstrukturierung wird (Abbildung 6). Aber warum nicht über EUV-Einzelbelichtungsmuster nachdenken?

Abbildung 6. Vierfache Strukturierung (mit einem 1.35 NA DUV-System); Jede Farbe stellt eine separate Belichtung dar.

Eine weitere Überlegung bei der SA- und SWD-Metallstrukturierung besteht darin, dass das Layout zwei Dimensionen erfordert, um die senkrechten Bitleitungs- und Wortleitungsrichtungen zu berücksichtigen. Dies erfordert die Verwendung von X+Y-Dipol- oder Kreuzdipol-Beleuchtung, was die verwendeten Maskentypen einschränkt. Im Wesentlichen kann die Beleuchtung nur Tonhöhen in einer Ausrichtung unterstützen und verschlechtert Tonhöhen in der anderen Ausrichtung. Masken ohne vorgefertigte Phasenverschiebungen (auch Binärmasken genannt) leiden unter einem unerwünschten Abfall der normalisierten Bildprotokollsteigung (NILS) (Abbildung 7). EUV kämpft derzeit mit einem Mangel an notwendigen Phasenverschiebungsmasken [8,9]. Daher wären zwei Aufnahmen erforderlich (jede bereits teurer als zwei DUV-Aufnahmen [10]), eine für die X-Ausrichtung und eine für die Y-Ausrichtung.

Abbildung 7. Kreuzdipolbeleuchtung reduziert NILS für die 2-Strahl-Bildgebung mit Binärmasken.

DUV-abgeschwächte Phasenverschiebungsmasken (attPSMs) können mit 180-Grad-Phasenverschiebungen zwischen den hellen und dunklen Bereichen entworfen werden, um dieses Problem zu mildern (Abbildung 8).

Abbildung 8. Kreuzdipolbeleuchtung reduziert immer noch NILS für die 2-Strahl-Bildgebung mit attPSM-Masken, aber der Wert bleibt über 2.

Die oben beschriebenen Szenarien sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Tabelle 1. Szenarien für die SA- und SWD-Metallstrukturierung mit minimalem Rastermaß in DRAM.

Bibliographie

[1] M. Eurlings et al., Proc. SPIE 4404, 266 (2001).

[2] D. Nam et al., Proc. SPIE 4000, 283 (2000).

[3] M. van de Kerkhof et al., Proc. SPIE 10143, 101430D (2017).

[4] A. Garetto et al., J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 13, 043006 (2014).

[5] Y. Kohira et al., Proc. SPIE 9053, 90530T (2014).

[6] S-Min Kim et al., Proc. SPIE 6520, 65200H (2007).

[7] J. Lee et al., Proc. SPIE 12495, 124950S (2023).

[8] F. Chen, „Phasenverschiebungsmasken zur NILS-Verbesserung – ein Handicap für EUV“, https://www.linkedin.com/pulse/phase-shifting-masks-nils-improvement-handicap-euv-frederick-chen

[9] A. Erdmann, H. Mesilhy und P. Evanschitkzy, J. Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology 21, 020901 (2022).

[10] L. Liebmann, A. Chu und P. Gutwin, Proc. SPIE 9427, 942702 (2015).

Dieser Artikel erschien zuerst in LinkedIn Pulse: Anwendungsspezifische Lithographie: Metallstrukturierung von Leseverstärkern und Subwortleitungstreibern in DRAM

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• Quelle: https://semiwiki.com/lithography/339965-application-specific-lithography-sense-amplifier-and-sub-wordline-driver-metal-patterning-in-dram/