A padronização múltipla (do inglês, multiple patterning ou multi-patterning) é uma classe de tecnologias para a fabricação de circuitos integrados (CIs), desenvolvida para a fotolitografia a fim de aumentar a densidade dos recursos (estruturas). Espera-se que seja necessária para os processos de semicondutores de nós de 10 nm e 7 nm e além. A premissa é que uma única exposição litográfica pode não ser suficiente para fornecer resolução adequada. Portanto, exposições adicionais seriam necessárias, ou então o posicionamento de padrões usando paredes laterais de recursos corroídos (usando espaçadores) seria necessário.
thumb|direita|300px|Diferentes técnicas para padronização múltipla
Topo: Divisão de recursos em grupos (3 mostrados aqui), cada um padronizado por uma máscara diferente
Centro: Uso de um espaçador para gerar recursos separados adicionais nas lacunas
Fundo: Uso de um recurso de polaridade oposta para cortar (pequena quebra) recursos pré-existentes
Mesmo com uma única exposição tendo resolução suficiente, máscaras extras foram implementadas para obter uma melhor qualidade de padronização, como feito pela Intel para o corte de linhas em seu nó de 45 nmIntel 45nm HKMG ou pela TSMC em seu nó de 28 nm.TSMC 28nm cutpoly Mesmo para a litografia por feixe de elétrons, uma única exposição parece insuficiente para um meio-passo (half-pitch) de ~10 nm, exigindo, portanto, dupla padronização.
A litografia de dupla padronização foi demonstrada pela primeira vez em 1983 por D. C. Flanders e N. N. Efremow. Desde então, várias técnicas de dupla padronização foram desenvolvidas, como a dupla padronização autoalinhada (SADP, do inglês self alignment double patterning) e uma abordagem de dupla padronização apenas por litografia.
A dupla padronização de passo foi introduzida pioneiramente por Gurtej Singh Sandhu da Micron Technology durante a década de 2000, levando ao desenvolvimento da memória NAND flash de classe de 30 nm (32 nanômetros). Desde então, a padronização múltipla tem sido amplamente adotada por fabricantes de memória flash NAND e de memória de acesso aleatório (RAM) em todo o mundo.
Situações que exigem padronização múltipla Existem várias situações que levam à necessidade de padronização múltipla.
Passo de sub-resolução thumb|esquerda|300px|Defeitos estocásticos limitam a resolução EUV. Defeitos estocásticos são mais graves para passos mais curtos; no passo de 36 nm a taxa de defeitos não cai abaixo de ~1e-9. Os padrões de contato apresentam defeituosidade severa em dimensões maiores O caso mais óbvio que exige padronização múltipla é quando o passo (pitch) do recurso está abaixo do limite de resolução do sistema de projeção óptica. Para um sistema com abertura numérica NA e comprimento de onda λ, qualquer passo abaixo de 0,5 λ/NA não seria resolúvel em uma única exposição de wafer. O limite de resolução também pode ser originado a partir de efeitos estocásticos, como no caso da EUV.
Consequentemente, a largura de linha de 20 nm ainda requer padronização dupla por EUV, devido à maior defectividade em passos maiores.
Arredondamento de padrão bidimensional thumb|esquerda|200px|Arredondamento de padrão bidimensional. Padrões densos bidimensionais formados a partir de poucos feixes interferentes são sempre severamente arredondados Está bem estabelecido que padrões bidimensionais densos, que são formados pela interferência de dois ou três feixes ao longo de uma direção, como na iluminação quadrupolar ou QUASAR, estão sujeitos a um arredondamento significativo, particularmente em dobras e cantos. O raio de arredondamento do canto é maior que o passo mínimo (~0,7 λ/NA).R. L. Jones and J. D. Byers, Proc. SPIE 5040, 1035 (2003). Isso também contribui para "pontos quentes" (hot spots) para tamanhos de recursos de ~0,4 λ/NA ou menores.S. Kobayashi et al., Proc. SPIE 6521, 65210B (2007). Por esta razão, é vantajoso primeiro definir padrões de linha, depois cortar segmentos de tais linhas de acordo com o necessário.R. Kotb et al., Proc. SPIE 10583, 1058321 (2018). Isso requer exposições adicionais. As próprias formas de corte também podem ser redondas, o que requer uma precisão de posicionamento rigorosa.L. T.-N. Wang et al., Proc. SPIE 9781, 97810B (2016).
Compensação entre ponta de linha e largura de linha O arredondamento das pontas das linhas naturalmente leva a uma compensação (tradeoff) entre o encolhimento da largura da linha (ou seja, a largura da ponta da linha) e o encolhimento da lacuna entre pontas voltadas para lados opostos. À medida que a largura da linha diminui, o raio da ponta encolhe. Quando a ponta da linha já é menor que a função de espalhamento pontual (k1~0.6–0.7), a ponta da linha recua naturalmente,C. A. Mack, Proc. SPIE 4226, 83 (2000). aumentando a lacuna entre as pontas opostas. A função de espalhamento pontual igualmente limita a distância resolúvel entre os centros das pontas da linha (modeladas como círculos). Isso leva, por sua vez, a uma compensação entre reduzir a largura da célula e reduzir a altura da célula. A compensação é evitada pela adição de uma máscara de corte/aparo (veja a discussão abaixo). Assim, para o nó de 7 nm com foco em EUV, com uma largura de linha de metal de 18 nm (k1=0.44 para λ=13.5 nm, NA=0.33), a lacuna da ponta da linha de menos de 25 nm (k1=0.61) implica que a padronização única de EUV não é suficiente; uma segunda exposição de corte é necessária.
Diferentes partes do layout exigindo diferentes iluminações thumb|esquerda|350px|Diferentes recursos exigem diferentes iluminações. Diferentes recursos no mesmo layout (conforme indicado por cores diferentes) podem exigir iluminações diferentes e, portanto, exposições diferentes. Enquanto as linhas horizontais e verticais podem ser abordadas com uma iluminação quadrupolar comum (azul), as orientações de 45 graus seriam prejudicadas, pois requerem uma iluminação quadrupolar totalmente diferente (vermelho). Consequentemente, incluir todos esses casos exigiria exposições separadas
Quando os padrões incluem tamanhos de recurso perto do limite de resolução, é comum que diferentes arranjos de tais recursos precisem de iluminações específicas para serem impressos.C. T. Bodendorf, Proc. SPIE 5992, 599224 (2005).
O exemplo mais básico é de linhas densas horizontais vs. linhas verticais (meio-passo <0,35 λ/NA), onde o primeiro requer uma iluminação dipolo Norte-Sul enquanto o último requer uma iluminação dipolo Leste-Oeste. Se ambos os tipos forem usados (também conhecido como C-Quad ou quadripolar cruzado), o dipolo inadequado degrada a imagem da respectiva orientação da linha.M. Burkhardt et al., Proc. SPIE 6520, 65200K (2007). Passos maiores até λ/NA podem ter tanto linhas horizontais quanto verticais acomodadas por iluminação quadrupolar ou QUASAR, mas recursos com espaçamento diagonal e recursos em formato de cotovelo são degradados.E. Hendrickx et al., Proc. SPIE 6924, 69240L (2008).W. N. Partlo et al., Prof. SPIE 1927, 137 (1993).
Na DRAM, a matriz e a periferia são expostas a condições de iluminação diferentes. Por exemplo, a matriz poderia ser exposta com iluminação dipolar enquanto a periferia poderia usar iluminação anelar.T. Winkler et al., Proc. SPIE 5754, 1169 (2005). Esta situação se aplica a qualquer conjunto de padrões (meio-passo <0,5 λ/NA) com diferentes passos ou arranjos diferentes de recursos, como matrizes retangulares vs. matrizes intercaladas.Y. Chen et al., J. Vac. Sci. & Tech. B 35, 06G601 (2017).K. Tsujita et al., Proc. SPIE 6520, 652036 (2007).T. Winkler et al., Proc. SPIE 5754, 1169 (2005).K. Tian et al., Proc. SPIE 7274, 72740C (2009). Qualquer um dos padrões individuais é resolúvel, mas uma única iluminação não pode ser usada simultaneamente para todos eles. Um passo mínimo pode exigir uma iluminação que é prejudicial ao dobro do passo mínimo com o desfoque.DRAM Periphery Metal Patterning Pitch IncompatibilitiesA Forbidden Pitch Combination at Advanced Lithography Nodes
A inclusão de recursos isolados e densos é um caso bem conhecido de padronização de múltiplos passos. Recursos de assistência de sub-resolução (SRAFs) foram projetados para permitir a padronização de recursos isolados ao usar iluminação adaptada para os recursos densos. No entanto, nem todas as faixas de passo podem ser cobertas. Em particular, recursos semidensos podem não ser fáceis de incluir.suspicious link removed F. M. Schellenberg et al., DAC 2001,Adoption of OPC and the Impact on Design and Layout.]V. Wiaux et al., Proc. SPIE 5040, 270 (2003).
Exemplo específico: matrizes de furos thumb|direita|350px|Iluminações específicas de matrizes. Diferentes configurações de matriz exigem iluminações diferentes e mutuamente exclusivas. Para acomodar todas elas, seriam necessárias diferentes exposições com diferentes iluminações Para o caso específico de matrizes de furos (meio-passo mínimo <0,6 λ/NA), três casos bem conhecidos exigem três iluminações totalmente diferentes. Uma matriz regular geralmente requer iluminação Quasar, enquanto a mesma matriz girada 45 graus resulta em uma matriz em forma de tabuleiro de xadrez que requer iluminação C-quad. Diferente de ambos os casos, uma matriz com simetria próxima a triangular ou hexagonal requer iluminação hexapolar.B. Bilski et al., Proc. SPIE 10466, 1046605 (2017).
Padrões de múltiplos passos thumb|esquerda|200px|Hotspot de OPC. Espaço insuficiente (região vermelha) para recursos de assistência suportarem 2x do passo mínimo de metal (MMP) na presença de 1x MMP é proibido thumb|esquerda|200px|Padrões com iluminações incompatíveis. Iluminações adaptadas para certas partes de um padrão de múltiplos passos podem degradar outros aspectos. Aqui, os locais em azul se beneficiam do passo de linha mínimo, enquanto os locais em vermelho se beneficiam das quebras de linha, mas não do passo de linha mínimo Às vezes, o padrão de um recurso contém intrinsecamente mais de um passo (pitch), e além disso, esses passos são incompatíveis a ponto de nenhuma iluminação poder simultaneamente formar imagens de ambos os passos satisfatoriamente. Um exemplo comum, novamente da DRAM, é o padrão de tijolo definindo as regiões ativas da matriz.Samsung 80nm DRAMWhen Lithography Requires Multiple Patterning: Avoiding Analog Distortions in the Resist Layer Além do passo estreito das regiões ativas, existe também o passo entre as separações ou quebras das regiões ativas, que é diferente daquele do passo estreito na mesma direção. Quando o passo estreito é <λ/NA (mas ainda > 0,5 λ/NA), ele não pode ser visualizado simultaneamente com o passo duplo devido às limitações de foco deste último. A gravação seletiva (corrosão seletiva), juntamente com SADP ou SAQP (que será descrito abaixo), é a melhor abordagem atual para alcançar a padronização simultânea de ambos os passos.Feature-selective etching in SAQP for sub-20nm patterning
Pequenos desvios da interferência de 2 feixes Um padrão de interferência de dois feixes (meio-passo <0,5 λ/NA) forma um conjunto de linhas regularmente espaçadas. Quebras nessas linhas, como padrões de tijolo, são desvios do padrão de interferência. Tais quebras geralmente não dominam o padrão e são, portanto, pequenos desvios. Esses desvios são insuficientes para compensar completamente a interferência construtiva ou destrutiva do padrão regular subjacente da linha; muitas vezes resultam em lóbulos laterais (sidelobes).N. Singh and M. Mukherjee-Roy, Proc. SPIE vol. 4691, 1054 (2002).J. Garofalo et al., J. Vac. Sci. & Tech. B 11, 2651 (1993). As lacunas nas extremidades da linha são facilmente interligadas (bridged) sob iluminação de dipolo.T. Matsuda et al., Proc. SPIE 7973, 797316 (2011). Uma outra exposição de máscara (geralmente referida como uma máscara de corte) é, portanto, necessária para quebrar o padrão da linha de forma mais robusta.
Corte de linha thumb|200px|O desalinhamento das formas de corte pode levar a problemas elétricos, como formação de arco e variações na resistência de contato