（电路与系统专业论文）超深亚微米下一种光刻仿真工具的系统框架研究及其实现.pdf

浙江丈学硕士学位论文第一章鳍论 1 1 集成电路发展概述 第一章绪论 信息产业是2 1 世纪世界经济的主导产业和支柱产业，信息科技的进步正在极大地影响 和改变着人类工作生活的方式。信息产业的发展离不开集成电路技术的支持与更新，半导体 技术的发展进一步推动了信息产业的进步。集成电路作为信息技术的核心器件。其应用涉及 到生产和生活的各个方面，并因此成为了当今信息社会发展的重要物质基础。 自1 9 5 8 年诞生以来，集成电路的发展经历了小规模集成( s s i ) ，中规模集成( m s d ，大 规模集成( l s i ) 的阶段，目前已进入超大规模集成( v l s i ) 和甚大规模集成( u l s i ) 的阶段，系统 芯片( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 的时代也已到来。i m e l 公司的刨始人之一6 0 m o nm o o r e 曾提出 著名的摩尔定律，v l s l 的集成度每隔十八个月就翻一倍。在过去的四十多年中，集成电路 的发展几乎完全遵循这一论断。而且乐观的研究表明，这种发展速度至少还可以再维持1 0 年到2 0 年”8 9 ”。2 0 0 5 年初的商业化半导体芯片主流制造技术已经达到0 1 3 线宽，预计 今后将很快发展成熟到9 0 m 和6 5 m 以下，从而标志着集成电路工业纳米级时代的到来。 根据i t r s ( i n t e m 砒i o i l a lt e c h n o l o 科r 0 a d m a pf o rs e m i c o 硼u 曲。f s ) 给出的从1 9 9 5 年到2 0 1 6 年 世界i c 工艺发展趋势数据如图1 1 所示，我们可以看到：集成电路的制造工艺不断提高， 线宽迅速减小，：薛片上集成的晶体管的数目不断增加，芯片结构日益复杂，面积不断增大。 【l t r s 叭】【l t r s 0 如 盯r s 融擒棚释a pa ；e l 射硼o 豹一蠲o p 鞘i 薹 嘉 皇 遵 i 謇 图1 1 集成电路工艺发展趋势i t r s 集成电路工业生产具有一套基本的完整流程，从集成电路的设计到版图掩模的制造到 最后的芯片生产。目前比较流行的流程可简单描述如图卜2 ，在实际的生产过程中，每一个 x 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 从而保证了芯片设计生产的顺利完成。 在集成电路产业分工越来越细致、合作越来越紧密的发展趋势下，不同的公司部门参 与完成了生产流程中的不同环节。一般来说，我们可以将集成电路工业划分为设计公司( i c d 咕s i g n h o u 蛇) ，芯片生产厂商( f o u n d r y ) 以及提供设计验征工具的软件公司( e d a s o 爱w a f e c o m p a n y ) 。体现在流程图中，前五个环节一般由设计公司来完成，而生产厂商需要对最后 的三个环节负责，在整个流程中，e d a 公司针对其客户的设计及生产需要提供大量的相关 辅助设计软件。 图1 2 集成电路设计和制造一般流程 1 2 集成电路设计技术的发展 随着集成电路的飞速发展，一方面需要不断更新制造工艺的支持，同时也依赖于集成电 路设计技术的不断进步。目前的e d a ( e l e c t r o n i ed e s i 驴a u t o m a t i o n ) 工具已经覆盖了芯片 设计的全过程，从系统设计、综合及模拟、布圈设计、测试到验证都有相应的e d a 工具的 支持。并且有开放的环境和标准化的接口。在集成电路工业进入超深亚微米和纳米级以后， 由于制造工艺特征尺寸的不断减小，设计要求功耗更低等，集成电路设计将面临更多方面的 挑战。 随着集成度和设计复杂度的不断提高，电子设计自动化( e d a ) 和计算机辅助设计技术 ( c a d ，c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 的熏耍性日益突现。单纯的人力设计早已不能应对所面临的 如此众多的挑战。所有集成电路设计面临的挑战都要求在设计中更大程度地发挥计算机辅助 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 设计方法的应用。然而，目前的集成电路的设计技术事实上却落后于工艺技术大约两代的发 展水平，这很可能成为制约集成电路技术进一步发展应用的瓶颈，因此电路更小尺寸和更大 规模集成所带来的挑战，很大程度上也成为设计技术领域特别是设计自动化技术领域的问 题，同时也是难得的机遇。 1 3 集成电路的生产工艺 集成电路制造是一个非常精密、复杂的过程，以此保证了集成电路芯片的高性能与高成 品率。从目前各集成电路生产厂商所采用的制造工艺来看，芯片的生产过程中主要包括：氧 化工艺、光刻工艺和掺杂工艺。其中光刻工艺是比较重要的一个环节，它是将光学成像过程 与材料的腐蚀过程相结合的一种表面精细加工技术，主要包括掩模图象的曝光。光刻胶的显 影、烘烤，硅片表面材料的腐蚀和硅片表面光刻胶的去除等多个工艺步骤。 在集成电路制造工艺流程中，芯片的质量由大量的工艺过程参数所决定，例如：氧化厚度、 光刻剂量、掺杂浓度等等。要实现一个合格的集成电路芯片的生产，在电路的设计过程中就 必须考虑这些工艺过程参数同时在制造过程中必须严格控制这些工艺参数，保持它们和设 计过程所考虑的一致性以及在生成过程中的稳定性。但是由于电路特征尺寸的减小使得保 持制造工艺参数的稳定性和一致性越来越困难，因此，在电路设计过程中的版图设计对集成 电路制 x 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 光刻系统的各项参数，以保证芯片的性能与成品率。 投影光透过掩模图形传播到硅片上的光刻胶后。能在硅片上得到与掩模图形相关的光刻 图形。掩模图形对光波来说，相当于传播路线上的障碍。根据光的传播原理，光波通过掩模 版时会发生衍射和干涉现象，因此实际投射到硅片上的光强分布是衍射光波的迭加效果，它 与掩模图形并不是完全相同的。当障碍的尺寸远大于光波波长时，由衍射产生的图形偏差可 以忽略不计。也就是说，只有当掩模版图形尺寸( 集成电路的特征尺寸) 远大于光刻波长时， 硅片上通过曝光形成的光刻图形与掩模版图形基本相同。 当半导体工业进入到超深亚微米时代后，设计的规模越来越大，复杂度越来越高。从 0 1 8 u m 技术节点开始，制造工艺中开始采用所谓的“亚波长光刻”技术。以9 0 m 和6 5 i i m 节 点为例，其生产时所采用的a r f 光源波长为1 9 3 n m ，而所制造产品的特征尺寸还不到光源 波长的一半。由于集成电路的特征尺寸接近曝光系统的理论分辨率极限，光刻后硅圆片表面 成像产生了明显的畸变，从而导致光刻图形质量的严重下降，这一现象预计将持续到3 2 m 节点以后。随着集成电路特征尺寸不断地减小，芯片集成密度不断地提高，这种光刻图形的 变形与偏差变得越来越严重，逐渐成为影响芯片性能和成品率的重要因素。图1 3 所示为集 成电路生产工艺过程所用的光刻光源波长与所制造的特征尺寸的发展历史和未来预测趋势。 从中可以看到，由于光刻机光源的波长受技术发展和资金规模的限制，在可预见的未来并不 能够迅速减小“8 0 ”而特征尺寸却在迅速减小，两者的差距越来越大。i n t e l 公司在2 0 0 3 年也修改了其对1 5 7 n m 光刻技术的研发计划，准备延续使用1 9 3 n m 光刻技术苴到3 2 n m 技 术节点w s 0 ”。 图l 一3 光刻坡长与最小特征尺寸关系演进图 虽然工业界广泛地使用了亚波长光刻技术来减少衍射影响，但不可避免的，亚波长光刻 的结果相对于原始版图仍会发生各种畸变现象如边角圆化线端缩短，线宽偏差等。这些图 形失真现象最终将造成集成电路电学特性的偏差，从而影响产品的功能、性能和成品率。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 目前世界上的相关研究 针对目前半导体制造工艺水平，世界上一些著名大学和知名企业都开展了比较深入的探 讨和研究。为了解决亚波长光刻所带来的问题，业界提出并广泛采用了以掩模补偿技术为主 的分辨率增强技术( r e t r e s 0 1 u t i o ner i i c e m e n tr c h n o l o 鲥) 来实现提高图形转移质量的目 的，减小光刻畸变影响，这其中主要包括了离轴照明( o a i ，o 搏a x j si l l i n a t i o n ) ，光学邻近 校正( o p c ，o p t i c a l 胁x i i i l 时c o r r e c n o n ) ，移相掩模( p s m ，p h es h i 舭dm a s k ) ，次分辨率辅助 图形( s r af ，s u b - r e s o l u t i o na s s i s t c ef 髓t u r e ) 等方法。有学者大胆预测掩模补偿技术的运用 将会至少还会持续1 0 年之久【l ”j 。圈l 一5 所示的是原始版图和o p c 修正以后版图的仿真 结果，可见经过对掩模的形状进行o p c 修正，光刻畸变有了很好的改善。这样在相同的 生产条件下使用掩模补偿技术，可以利用现有的光刻设备制造出更小特征尺寸的集成电路。 就目前的研究情况来看，掩模补偿技术基本上有两种形式：l 、改变掩模形状( 0 p c ) ； 2 、改变掩模相位( p s m ， p h a s es h i f i i n gm a s k s ) 。两种技术的目的都是为了在已有的集成 电路生产工艺设备基础上制造出更小的特征尺寸，且制造出的电路和设计的电路在功能上保 持一致。o p c 的基本做法是，根据光学设备的参数和实际光刻结果的数据，对掩模作出预 测性的校正从而减小由于光的衍射和光刻胶曝光显影蚀刻后带来的图形非线性失真的程 度。p s m 的基本作法是在掩模生产过程中在掩模的某些特定区域加上一层1 8 0 度，9 0 度或 其它度数的选择式移相掩模( a h p s m ，a l 彻n a 曲gp s m ) 或者是使用一定透光率的削弱式移 相掩模( a t c p s m ，a t t e n u a t e dp s m ) ，从而使得硅圆片上关键图形边缘的光场衍射可以相互 抵消，保持图形轮廓的清晰度。 a b 图1 4 ( a ) 原始版图及( b ) 经过o p c 修正版图仿真结果比较 o p e 采用的是光学逆向设计的优化思想，其策略大致可分成两种：一种是基于模型的 0 p c ( m o d e l - b a s e d ) ，另一种是基于规则的o p c ( r u j e _ b a s c d ) 。基于模型的o p c 是依据模拟 得到空间光强分布或光刻胶的二维轮廓，利用迭代算法或类似的数学模型，反推出可补偿邻 近效应偏差的掩模结构。并用修正后的掩模图形来成像评判校正效果。这种方法的优点是 校正效果好，但运算量大计算花费的时间比较多。而基于规则的o p c 是根据曝光系统的 浙江丈学硕士学位论文第一章绪论 参数和掩模图形参数的规律利用大量的光刻实验数据来建立一套校正规则和校正图形数据 库，然后根据这个规则对设计掩模圈形进行优化校正。这种方法的优点是计算速度快，而且 依据确立的规则可对相同曝光显影条件的任何形状的掩模做预校正。但是为了获得较好的校 正规则，基于规则的o p c 也必须进行大量的列表、建库工作等大量的前期工作。因此，无 论是基于模型或是基于规则的o p c ，都需要有快速、精确、有效的光刻模型和相应的算法 作为基础滞“”】。 目前世界上主要的集成电路生产厂商如f u j i t s u ，i b m ，i n t e l ，n e c ，1 i ，t s m c ，u m c 等在 自己的生产线都开始采用各种各样的分辨率增强技术。他们不仅使用其内部( i n - h o u s e ) 开发 的一些p e t 处理工具，同对采用了e d a 公司提供的解决方案。目前比较成熟的r e t 处理 工具主要有：s y n o p s y s 研发的p r o t e u s 软件系统，m e n t o rg r a p h i c s 公司提供的c a l i b r e r e t c a l i b r eo p c 等。目前，虽然世界上主要的f a b 在进行p e t 处理都会选用这类工具，但 由于制造技术的迅速发展，e d a 公司提供的工具还不能跟上技术发展的速度，不能完全解 决目前生产过程中面临的一系列问题。因此在分辨率增强技术和可制造性设计方面仍然有 巨大的研究发展的新空间。由于在目前广泛采用的分辨率增强技术中，都必须采用与工艺有 关的模型来进行仿真研究。所以，作为半导体生产过程中的关键步骤，对光刻系统展开仿真 研究显得尤为重要。 1 6 论文组织 随着集成电路设计制造的特征尺寸不断提高，在逐渐进入1 3 0 纳米为主流技术的时代， 能够根据光刻系统和光刻胶特性，对掩模进行自动补偿的技术将成为集成电路版图设计中不 可或缺的工艺过程。在超深亚微米工艺条件下的集成电路设计，必须有快速、实用又足够精 确度的光刻系统模型和光刻胶显影蚀刻模拟系统。 本文研究的重点是光刻系统仿真模型的框架及实现，在深入研究光刻系统各部分理论 的基础上，利用生产工艺过程的参数建立相应的可快速计算的模型，得到硅片表面的成像结 果，并能够给o p c 等分辨率增强技术提供准确有效的模型。本文希望能够为光刻系统仿真 的研究人员提供一个方便友好的交互研究平台，通过内建的一些快速，准确的函数包和高层 模块，根据研究人员的不同需要，以及提供的不同系统和工艺参数，能故自动生成所需要的 光刻系统仿真模型。目前，已经完成了对光刻系统中光学部分的研究工作，能够根据不同的 系统光学参数，得到需要的光学系统仿真结果。 本文的内容组织如下：第章介绍集成电路生产流程中的光刻系统及仿真意义；第三 章阐述光刻系统仿真框架的建立及对于空间成像的理论研究，包括光刻系统的各组成部分模 型建立；第四章简单对比目前业界比较流行的几个著名e d a 公司提供的商用光刻仿真软件： 第五章通过对光刻仿真系统的框架的研究介绍目前我们实现的仿真软件工具并进行实例分 析；第六章是对研究的总结与展望。 6 浙江大学硕士学位论文第二章集成电路制造光刻系统厦仿真 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 集成电路制造是一个非常精密、复杂的过程。它必须要保证集成电路芯片的电学性能 与产品高成品率。目前的制造工艺中一般包括2 0 0 多道工序，简单来说，集成电路制造工艺 主要包括【8 。“8 嘲： 1 、生产适当类型衬底的晶片制造工艺； 2 、准确定位每个区域的光刻工艺； 3 、向晶片中添加材料的氧化、淀积和离子注入； 4 、从晶片上去除材料的蚀刻工艺等。 其中光刻工艺是生产过程中比较霞要的一个环节，它是将光学成像过程与材料的腐蚀过 程相结合的一种表面精细加工技术，主要包括掩模图像的曝光，光刻胶的显影、烘烤，以及 硅片表面材料的腐蚀和硅片表面光刻胶的去除等多个工艺步骤。总的来说，集成电路的制造 过程可以理解为一个通过光刻技术把电路版图从光刻掩模上转移到硅片表面的过程 2 1 集成电路制造简介 早在1 9 世纪末期，第一个固态整流器就被开发出来了。1 9 0 7 年发明的方铅矿晶体检波 器被广泛的用来制作晶体收音机。到1 9 4 7 年，在充分理解半导体物理的基础上，b a r d c c n 和b r a t t a i n 都制作出了第一只双极型晶体管。1 9 5 9 年，k i i b y 制作了第一块集成电路，从此 揭开了现代半导体制造时代的序幕。这里简单阐述一下集成电路的生产工艺。 2 1 1 晶片制造 集成电路通常用硅( s i l i c o n ) 制造。这是一种非常普遍且分布广泛的元素。实际生产的 集成电路都只能用单晶物质制造，所以首先需要从硅矿石中提炼单晶硅。通过一系列的工业 步骤，可以得到高纯度的单晶硅柱( i n g o t ) ，由于集成电路只是在硅晶体的表面形成，并不 会穿透表面很深，所以单晶硅桂通常会被切成很多圆形的薄片，这就是通常所说的晶圆或者 叫硅片( w a f e r ) 。每片硅片能制作出成百上千甚至上万的集成电路。硅片越大能制作的集 成电路越多，经济成本也就越低。大多数现代工艺用1 5 0 m m ( 6 ”) 或2 0 0 r a m ( 8 ”) 的硅片， 目前已经有开始采用3 0 0 m m ( 1 2 ) 的硅片。通常长度在1 到2 米的单晶硅柱能制造上千片的 硅片。同时，由于集成电路的微小的尺寸要求特别光滑的表面，因此，硅片的一面还需要做 一些光刻前处理，包括抛光、清洗等。 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 2 1 2 光刻工艺 光刻是借助掩模利用光与光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜上 ( 如s i 0 2 ，s i a n 4 等绝缘膜以及多晶硅和金属膜) 蚀刻出台乎要求的图形，从而完成掩模上 的图形到硅表面材料层的转移。 光刻工艺主要有涂胶、曝光、显影、刻蚀等主要步骤组成。当然，在整个光刻过程中， 为了增强图形转移的精确性和可靠性，还包括了去水烘烤、涂底、软烤和硬烤等工艺步骤。 根据如图2 - 1 所示为光刻的流程示意图，简单描述一下光刻的工艺过程： r 耐# d w e l 叩h g a n de t c h i a g 圈嗡豳 图2 一i 光刻过程的流程示意图 a 、涂胶 又称为匀胶，是在洁净干燥的硅片表面s i 0 2 层上均匀的涂上一层厚度一定的光敏材 料一一光刻胶。光刻胶溶液通常被旋转式滴上硅片，硅片被装在一个每分钟能转几千转的转 盘上，如图2 - 2 所示。几滴光刻胶溶液就被滴到旋转中的硅片的中心，离心力把溶液甩到表 面的所有地方。光刻胶溶液即黏着在硅片上形成一层均匀的薄膜，多余的溶液从旋转中的硅 片上被甩掉。薄膜在几秒钟之内就缩到它最终的厚度。溶剂很快就蒸发掉了，硅片上就留下 了一薄层光刻胶。最后通过烘焙去掉最后剩下的溶剂并使光刻胶变硬以便后续处理。镀过膜 的硅片对特定波成的光线很敏感，特别是紫外( u v ) 线。相对来说他们仍旧对其他波长的， 包括红，橙和黄光不太敏感。所以大多数光刻车间都采用特殊的黄光系统。 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制遗光刻系统及仿真 0 图2 2 涂胶在硅片表面 b 、对准和曝光 这是一个关键工序，需要在高精度的光刻机上完成。将掩模置于硅片表面的胶层并在 极紫外线下曝光，使光刻胶发生光化学反应。曝光前要进行前烘使光刻胶中的溶剂挥发。从 而使胶层成为固态的薄膜，并使光刻胶与硅片表面的附着力增强。前烘的温度和时间直接影 响光刻胶的固化和曝光、显影的结果。 c 、显影 经曝光并发生化学反应的胶在显影液中的溶解度发生变化，如负胶光致抗蚀( 正胶相 反) ，而束受光照的胶被显影溶液溶解掉在表面形成胶的光刻窗1 ：3 ，实现了图形从掩模到 硅片表面抗蚀剂的转移，曝光后要尽快进行显髟。显影后的后烘工作，去除了残留溶剂，使 胶膜变硬，保证胶与s i 0 2 层的粘附质量，增强在后工序蚀刻时的耐蚀能力。 d 、蚀刻 用化学药物或者可反应气体有选择的去掉s i 0 2 薄膜层不需要的部分以蚀刻的方法形 成图案会连续的在每个图案层上重复多次。被刻的薄膜也可以蚀刻s i 3 n 4 、多晶硅、硅化物、 铝或者其他金属等。 蚀刻1 般有两种：啼p 为湿蚀刻，用溶液洗去氧化物而不是光刻胶或底下的硅，大多 数湿蚀刻用的溶液是氢氟酸( h f ) ，这是一种很容易溶解二氧化硅的强腐蚀性物质，但它 不会影响硅或有机光刻胶。湿蚀刻是等方性的，因为它垂直和横向的处理速度都是一样的。 由于为了保证要有足够的时间使得所有的开口的地方都完成，过蚀刻就不可避免了。湿蚀刻 不能满足现代半导体工艺的苛刻的线宽控制要求。另外一种是于蚀刻，用反应式等离子达到 同样的效果。反应式离子蚀刻是3 种干蚀刻中的一种，其他两种是等离子蚀刻和化学蒸汽蚀 刻。蚀刻设备把这些离子以高速向下注入硅片。因为这些离子以很陡峭的角度撞击硅片，蚀 刻过程中垂直方向比横向的速度快的多。反应式离子蚀刻的各向异性使开口边缘十分垂直， 能更好的做到线宽控制。所以，在现代工艺中，更多的采用反应式等离子蚀刻的千刻蚀技术。 2 1 3 氧化、沉积及离子注入等工艺 9 浙江大学硕士学位论文第二章集成电路制造光刻系统及仿真 a 、氧化 硅能形成很多种氧化物，最熏要的一种是二氧化硅c s i 0 2 ) 。正是这种氧化物具有很多 很有价值的特性，硅才变成了最重要的半导体。其他半导体虽然也有更好的电特性，但只有 硅能形成非常好的氧化物，并且只要在有氧的环境下加热就能在硅片表面形成二氧化硅，其 虽终生成的s i 0 2 薄膜能阻止大多数通常的溶液，但它能溶解在氢氟酸里。氧化薄膜是一种 极好的电绝缘体，它不止能隔绝金属导体也能形成电容和m o s 晶体管里的电介质。二氧化 硅对硅工艺是如此重要，所以它被更通常的称作氧化物。 生成氧化层最简单的方法是在有氧环境下加热硅片。如果用纯净的干氧气，最终的氧 化膜叫做干氧化层。干氧化层生长起来非常慢，但它的质量特别好因为相对来说在氧化硅界 面几乎没有缺陷。湿氧化层的生长方法和干氧化层的一样，但是在加热管中有蒸汽注入。加 速氧化。水蒸气快速通过氧化层，但水分子分解而释放出的氢会降低氧化层的质量。 b 、沉积 在硅片表面进行化学反应，沉积颗粒以形成绝缘或导电层。表面下的本质决定了最终 的薄膜是单晶还是多晶的。如果表面是曝光后的单晶硅，那么它能作为晶体生长的种子且沉 积薄膜也会是单晶。如果沉积是在氧化物或氮化物薄膜上进行的，那么底下的晶体结构都不 能作为形成晶核的种子，沉积的硅将形成多晶硅( p o l y ) 的集合体。现代集成电路大量使用 单晶和多晶沉积硅薄膜。 c 、离子注入与扩散 由于传统扩散技术的限制性，现代工艺大量使用了离子注入。离子注入机是一种特殊 的粒子加速器，用来加速杂质原子，使他们能穿透硅晶体到达几微米的深度。再经过退火。 使杂质激活并在片内实现要求的杂质分布。离子注入比传统的沉积扩散有更好的杂质浓度和 特性控制。但是离子注入机是很复杂且昂贵的器件。许多工艺使用扩散和注入结合的方法降 低总的成本。 当生产要求高浓度和深结时可以采用扩散，能够得到较好的结果。通常先加热硅片 让它和外部的杂质原子源接触。其中的一些从源扩散到硅片的表面形成一个浅层重掺杂区。 然后移开外部杂质源，硅片被加热到个更高的温度井保持一段时间。在沉积过程中引入的 杂质向下运动，形成更深的但浓度降低的扩散。如果要制作掺杂非常重的结，就不需要从硅 片旁移开杂质源，直接继续操作就可以。 当然，这里只是简单的阐述了一1 下集成电路生产工艺的一些重要步骤，在实际的生产 过程中，还有许多化学、物理的工艺步骤，比如金属沉积等等，这里不再累述。f a l l l n 0 1 2 2 光刻系统描述 光刻过程是集成电路制造的核心部分，光学成像是光刻机的主要功能，是集成电路版 图从掩模到硅片转移过程的开始。该过程就是利用了光刻胶对光强的敏感度，光强的强弱变 化在光刻胶上会有明显的分界线，可以把掩模图像在曝光后接受，即所谓的显影，从而完成 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 了版图从掩模到硅片表面的转移。图2 3 示为投影式光刻系统的基本示意图。 光的幅度 衄口口 光强 乇凸巡 图2 - 3 光刻机系统示意图 光刻机的主要部分是光刻光源和光学透镜系统，再加上掩模和光刻胶就一起构成了光 刻成像系统的基本框架。在光刻成像过程中，在光刻胶上所成图像的质量最主要的决定因素 是光刻光源，当然透镜组的性质也同样影响成像的质量k “”o h ”0 0 1 。通常，在光刻系统的研 究过程中，照明系统( , s o u s c e ) 、掩模( m a s k ) 、光学成像系统( p u p i l ) 以及涂在硅片表面的 光刻胶( r e s i s t ) 四个部分共同组成了整个光刻系统。其中，前三个子系统组成了整个光刻 系统中的光学系统部分。参照图2 - 3 所示，后面将探讨一些的光刻理论，并分别介绍光刻系 统的四个组成部分。 2 2 1 光刻基本理论 对于日益减小的特征尺寸和日益提高的封装密度，生产过程中主要通过提高光刻装置中 透镜系统的数值孔径来实现。太多数的光刻透镜性能都受限于衍射作用，要确定受限衍射系 统的最小分辨率r e s o l u t i o n ( 也可以定义为c d c r i t i c a ld i m e n s i o n ，这里以w 表示) 和焦 深( d o f ，d e p t ho f f o c u s ) ，可以利用瑞利准则来进行判断畔“”盯9 q 。 最小分辨率w ，即光刻系统可以刻出的最小特征尺寸，利用式( 2 i ) 表示： ， w = k l i 鲁 ( 2 1 ) m 7 式中， n a 为光学透镜的数值孔径，物理极限是1 o ，实际的极限值在o 8 5 ，同时考虑焦深的 影响，目前工艺条件下的n a 的极限在0 7 s 。“”。 丑为曝光波长，由激光光源确定。 k i 为工艺因子- 是取决于透镜偏差和其他多种工艺因素的条件系数，其理论最小值为 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制造光劐系统及仿真 0 2 5 ，目前的光刻设备中，其一般取值在0 5 到1 0 之间。图2 4 示为，置对应不同的特征 工艺尺寸值的发展趋势。“”。 0 0 0 8 o 7 o 0 o 5 0 4 0 ，3 猡 静 、 弋 1 嘲1 9 9 41 6 1 9 9 82 0 0 02 0 0 2 2 0 0 4 2 0 0 6 图2 - 4 七的发展趋势图 对于( 2 - 1 ) 确定的最小特征尺寸，其焦深d o f 可以由方程( 2 - 2 ) 确定： d o 雎屯鲁 ( 2 1 2 ) 式中的条件系数吒，同样是根据多种工艺因素来确定的，通常，岛的理论值在0 5 到 1 0 之间。 所谓焦深就是产生清晰图像的可容许偏移范围，超出此范围，产生的像就会模糊不清。 由( 2 - 1 ) 可见，提高分辨率有三种方法：减小曝光波长五，增大数值孔径n a 以及减小南的 值。但是，式( 2 2 ) 可以看到减小波长、增大数值孔径会减小焦深。而光刻是把掩模上图形转 移到覆盖在规模的光刻胶上的，焦深减小到所要求的最小焦深范围以外时，就难以使正确的 像面与硅片上抗蚀剂层表面完全吻合，最终导致产生的图形线条粗细不一，甚至分辨不清。 可见，提高分辨率是以牺牲焦深为代价的，两者之间存在着互相矛盾。对于n a 来说，因为 d o f 与n a 之间是倒数平方关系，对于高n a 值的光刻系统d o f 将变得非常小。而d o f 与波长是线性关系，影响相对较小。所以，式( 2 1 ) 与( 2 2 ) 消去n a 得到： d o f ；鲁车( 2 - 3 ) k j 五 从( 2 3 ) 中可见在参数毛，岛一定，且分辨率w 相同的情况下，波长五越小，焦深越大， 可以通过减小波长来增加焦深。另一个增加焦深的方法就是减小毛的值，d o f 与南的平方 成反比，所以k 。的作用非常大叫“o ”。 光刻过程中，由于 2 一般是由光刻胶所决定的参数，光刻胶一定，其值就恒定，因此， 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制造光刻j i 统及仿真 在光刻系统选定了光源波长五，而w 一定的情况下，增加焦深的主要手段，就是减少墨a 目前比较流行的一些方法就是采用如绪论中提到的离轴照明、光学邻近校正、移相掩模等技 术来实现减小毛。 2 2 ，2 照明系统 照明系统的作用主要是进行有效的聚集、对准、过滤，并聚焦光线以保证光线能够均 匀照射通过整个掩模。它由除光源以外的各种不同透镜、折射镜、过滤器以及其他一些光学 器件组成。在图2 3 中，激光光源、同一化光源、成像光源和聚光镜部分组成照明系统一 般来说，照明系统的研究主要为两个部分：光源及聚光透镜。 2 2 2 1 光源 光刻光源的特性，一般可以用光源的波长、光源的部分相干系数、光源的形状和透镜的 数值孔径等参数来描述“+ 。删】。光刻光源都是具有同一波长的单色光，可以采用的有，4 3 6 n m 和3 6 5 n m 的紫外线( u vu l t r a v i o l e i ) ，2 4 8 n m 和1 9 3 n m 的深紫外线( d u v , d e e pu v ) ，以及 1 3 u r n 虬下的极紫外线( e u ve x t r e m eu v ) 。生产工艺中产生这些光刻光源的主要手段有在 紫外线范围内，可以采用高压汞灯象波长为u v 4 3 6 n m ，u v 3 6 5 n m 的光源，其他则采用短波 长下的准分子激光象波长为d u v 2 4 8 n m 和d u v l 9 3 n m 的光源。光刻分辨率( 能够清晰光刻 的最小尺寸) 是描述光刻效果的参数，般采用汞灯的g 线( u v 4 3 6 n m ) 可以得到0 ，8 u m 的分辨率，采用i 线的可达到0 3 6 5 u m 的分辨率，而采用d u v 2 4 8 n m 以下的准分子激光光 刻光源可以获得o 2 5 u r n 以f 的分辨率。参看绪论介绍，在未来的生产工艺中，从1 3 0 n m 到 3 2 r i m 节点都将采用波长为1 9 3 r i m 的a r f 准分子激光光源。 表2 1 是i t r s 对光刻技术发展的预测【”叫： 表2 - 1i t r s 光亥4 技术预测 首次批量生产年份2 0 0 42 0 0 72 0 1 0 技术节点( n m )9 06 54 5 光刻技术1 9 3 n m + r e t1 5 7 n m e u v 1 5 7 r i m e u v e p l e p l 湿浸式光刻技术 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 离轴照明可以提高焦深。 毒鞋阳霸秆 图2 5a ) 传统照明， b ) 环形离轴照明 目前的生产工艺中已经较多的采用了离轴照明的技术，图2 - 6 所示为目前生产中所采用 的各种不同的离轴照明技术光瞳形状示意图。 传统照明环形照明单极照明四极照明 双极照明a s m l 双极照明a s m l 月牙四极照明交叉四极照明 图2 - 6 离轴照明光瞳形状示意图 在进入超深亚微米工艺时代，焦深在生产中显得越来越重要，其控制也变得越来越困难 离轴照明技术在光刻系统中的应用，能够在很好的分辨率前提下保证足够的焦深。 浙江大学硕士学位论文 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 2 2 3 掩模 光刻成像系统中的设计信息载体是掩模( m a s k ) 。掩模一般咀石英等透明硅化物覆盖以铬 ( c h r o m e ) 审l j 成。一般的掩模相对于硅片上的实际图像都有4 到5 倍的等比例放大，但是这并 不影响制造掩模上图形对它偏移容差的控制它的容差不是硅片上对图像容差的4 - - 5 倍， 而是和硅片上图像的容差相当，一般的要求在1 0 以内。掩模的厚度很小，一般都在o 0 9 0 英寸到o 2 5 0 英寸之间。根据掩模外场是否透明，可以分为亮场( c f ，c l e a rf i e l d ) 和暗场( d f ， d a r k f i e l d ) 两类。亮场掩模上的图形不透明，而暗场掩模上图形透明，具体选用哪种形式， 根据配合的光刻胶的正负极性等，在设计工艺时确定。掩模一般由电子束( e b e a m ) 刻写而成， 目前掩模刻写( m a s kw r i t i n g ) 的数据量巨大，速度慢，刻写和修复的成本均极高。9 0 h m 工艺 下一层关键掩模的制造成本达数万美元，而生产一种9 0 h m 集成电路需要关键、非关键掩模 在3 0 层左右因此总成本可能接近百万美元。”1 根据实际的工作原理不同，目前采用的掩模主要有两种：二相( b i n a r y m a s k ) 掩模和 移相掩模( p s m ，p h a s e - s h i t t i n gm a s k ) 。二相掩模又叫黑白掩模，它是一种传统掩模，只有 黑、白两个灰度级，由不透光和完全透光的部分组成的版图图形。这样的透光条件下用现有 的光刻设备要生产特征尺寸为1 8 0 r i m 以下的集成电路就需要很大的散焦深度，而散焦深度 达到一定的程度后很难继续提高。这样相移掩模( p s m p h a s es h i l l i n gm a s k s ) 技术就应运 而生。移相掩模利用了相干光的破坏性干涉这一原理，即两束波长、强度相同但相位相差 1 8 0 度的相干光交叠可以产生光强为零的区域，来改善光刻成像的清晰度。这一想法最早是 由d r m d l e v c n s o n 在1 9 8 2 年提出“”1 的。图2 7 所示为传统的二相掩模和移相掩模在 曝光过程中对光强反应的比较图，左侧为传统的二相掩模光刻情况，右侧为移相掩模光刻情 况。可见，移相掩模相对于二相掩模在光刻过程中具有明显的优越性。 攀a 。f f t p 油l i t u d e 。i n 舟 。篁竺叁：篓釜硝签： 一竺! 型竺| 互 ： 一竺! 型竺| 互二汇二x 二二二 浙江大学硕士学位沦文 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 关于移相掩模，目前主要又两种使用方法，一种叫交替式移相掩模( a l t p s m ，a l t e r n a t i n g p h a s es h i f t i n gm a s k s ) i - a t “删日“8 l ，另一种叫削弱式移相掩模( a t t p s m ，a t t e n u a t e dp h a s e s h i f t i n gm a s k s ) f ”“】。交替式移相掩模在入射光射入时通过掩模厚度的调整等技术，使光 线交替发生1 8 0 度相位变化。这样即使相邻很近的两条线，使用交替式移相掩模也可阻把它 们分别清晰地刻出来。削弱式移楣掩模实际上是将传统二色掩模上不透光的背景部分改成能 部分透光，且光经过这些改进的背景部分后的光线与全透光发生1 8 0 度的相位差。削弱式移 相掩模一般采用7 一8 的部分透光率作为整个掩模的背景部分，能够提高分布在电路线 条边沿的光强对比度，从而提高光刻的质量。其他的移相掩模技术还有r i mp s m 和 c h r o m e l e s s p s m 等，但是由于o p c 和掩模制造比较困难，其应用目前还不广泛。 2 2 4 光学成像系统 在掩模和硅片之间的是光刻机投影系统，即光学成像系统，通过光学成像系统，掩模 上的图形，最终成像于光刻胶表面。目前广泛采用的是投影式曝光技术，将掩模版图投影到 硅片表面的光刻胶上。使之曝光。图2 3 即为一种典型的步进式m ：i 投影光刻机系统。这些 系统一般是由透镜和折射镜构成的结构。该系统采用缩小投影曝光的原理，把掩模图形缩小 后，投射到硅片表面进行曝光，目前的掩横加工技术，可以达到5 ：l 或者4 ：l 的缩小比例。 缩小倍率太，则掩模的缺陷对晶片图形影响小，分辨率高，但是像场小，曝光时闻长，效率 低：缩小倍率小，缺陷影响大，分辨率低，但是像场增大，效率提高。步进式缩小投影系统 将大视场分割为许多小视场，用分布重复的方式将掩模图形复印到硅片表面，每次曝光的光 场面积约几个平方厘米。为了完全曝光目前主流的2 0 0 或3 0 0 毫米直径硅片，需要有非常精 确的机械步进系统。台主流光刻机的造价在千万美元量级，每小时可以完成数十片硅片的 曝光。投影系统的主要技术参数有投影透镜的数值孔径n a ，和与之相关联的焦深d o f ， 二级效应参数有多种像羞( a b e r r a t i o n ) 等。 随着特征尺寸的不断缩小，为了解决现在曝光波长大于特征尺寸的矛盾，有效提高分 辨率，光刻机生产厂商对光刻机的结构不断进行改进。像世界上最大的光刻机制造商a s m l 就提出了一种湿浸式光刻技术( i m m e r s i o n l i t h o g r a p h y ) 以延长现有光刻机的使用周期湿 浸式光刻技术是在目前1 9 3 纳米波长光刻机基础上，在光源与晶圆之问加入水作为介质，将 光刻波长缩短为1 3 2 纳米的光刻技术。与目前光刻设备技术水平仅可达到波眭1 5 7 纳米，只 能支持半导体6 5 纳米工艺相比，湿浸式光刻技术可支持6 5 、4 5 、3 2 及2 2 纳米工艺，因此 生命周期相对较长，所以同前f a b 所使用的1 9 3 纳米光学扫描机设备，将可能延长使用l o 年左右。此外相比较于从光源、掩模、光刻胶等传统途径着手进行技术改进，湿浸式光刻的 成本较低，也使该技术更具备优势。据介绍。使用湿漫式光刻技术制作的掩模，每一代掩模 成本仅增加1 5 t 从而有可能成为半导体纳米级工艺的主流掩模技术。据a s m l 预估，2 0 0 5 年左右全球湿漫式光刻设备市场将达2 3 亿美元规模。由于湿浸式光刻技术具有成本优势， 浙江丈学硕士学位论文 第二章集成电路制造光刻系统及仿真 以及较长的生命周期，因此得到产业界的支持。2 0 0 3 年湿浸式光刻技术被纳入i t r s 蓝图， 【_ 年a 外儿推出最新研发 q 3 纳米混浸式光刻设备t w i n s c a n x t ：1 2 5 0 i 原型机；而另一个光 刻机制造商n i k o n 也在2 0 0 4 下半年推出湿漫式的a l p h a 机种；同时c a n o n 公司在2 0 0 4 年将 该公司现有1 9 3 纳米干式c d r y ) 光刻扫瞄机进行转型，成为湿浸式原型机种。目前全球三 大光刻设备厂都确立了湿漫式光刻技术的发展规划。i n 8 ”3 叫 图2 - 8 所示为湿浸式光刻机和于式光刘机的比较示意图。 2 2 5 光刻胶 图2 - g 干式与湿浸式光刻机比较示意圈 光刻成像最后将形成为在光刻胶表面的光强分布。光刻胶一般由树腊( g e s i n ) 、感光荆 ( p a c ) ) 及t 溶剂( s o l v e n t ) 等不同的材料混合面成。其中，树腊是粘舍荆，它主要决定光裹q 胶的 机械化学特性如沾附率、抗蚀刻能力等，而感光荆是一种光活性极强的化合物，在经光照后 可以改变整个光刻胶的溶解特性。感光剂在光刻胶内的含量与树脂相当，两者同时溶解在溶 剂中，以液态形式保存。光刻胶分为正胶与负胶两种。对于正胶，它在掩模版图中有图形的 地方生成一层保护膜( 对紫外线，有图形的地方是不透明的) ，显影时，曝光部分被显影溶 液溶解掉，形成的图形与掩模相同：对于负胶则相反，它是在没有图形的地方生成保护层( 这 部分的掩模版图对紫外线是透明的) ，显影时，未受光照的胶被溶解形成的图形与掩模相 反。正胶，由于其分辨率及边缘垂直度非常好，但易变质，储存期限也较短( 约半年到一年 之间) ，常用于学术或研发单位；而负胶虽然其边缘垂直度较差，但可储存较久，故常为半 导体业界所使用。 衡量光刻胶的主要指标有光刻分辨率、抗等离子体腐蚀能力、灵敏度、抗污染能力、与 衬底的粘附性等。光刻胶的曝光能量又可称为女g 量( d o s e ) ，等于曝光光强度和曝光时问的乘 积，其基本单位为m j c m 2 。在光刻胶曝光工艺前后有许多操作步骤，如烘烤等，每个工艺 步骤都有多种独立参数比如温度、时间、浓度等可以调整。 浙江大学硕七学位论文 第二章集成电路制造光剡系统及仿真 适用于1 9 3 r i m 或者1 5 7 r i m 光刻系统的光刻胶通常包括单层胶、双层胶、顶部表面成像 三种，但是目前的双层胶和表面成像工艺比较复杂，集成电路制造厂商需要一种新韵化学放 大单层深紫外线光刻胶。目前看米，丙稀酸的聚合物具有可透过1 9 3 n r a 和1 5 7 n m 广播、化 学结构易于裁剪、易于合成、抗等离子体刻蚀能力强等特点，比较适合1 9 3 n m 或者1 5 7 r i m 光学光刻胶。当前先进光刻上艺中所使用的d u v 光刻胶基本材料本身就在快速发展变化中， 而新推出使用的光刻胶应用技术种类更为繁多，而且在当今的新工艺中都得到了广泛的采 用。 未来的光刻设备可能采用e u v ( e x t r e m eu l t r a - v i o l e t ) 、x 光、电子柬、离子束等曝光作 为光刻成像的基本原理。但各项可能的技术中都还具有很多难以克服的问题，如e u v 下空 气对光的强烈吸收，束刻写的低效率问题等，目前有关的研究工作正在进行。 2 3 光刻系统仿真的意义 在实际的生产过程中，由于各种因素的干扰，光刻机的光学系统部分总是和从理论计算 得出的模型有所偏差，因此根据实际光刻结果对模拟系统进行调整以期能减少偏差。模拟 系统在实现理论模型的基础t ，对各个系统参数进行优化，同时采用一些经验公式调整系统 模型，以使模拟系统能更好的反应实现光刻的过程。 光刻仿真始于2 0 廿t 纪7 0 年代早期，i b m 公司的rh d i l l 发表了几篇具有原创性的文 章【“”1 ，相继提出了不相干光源成像的简睁模型，用子描述光刻胶曝光的一阶d i l l 模型， 以及光刻胶剖面计算的单元算法用于描述光刻胶显影的经验模型。这些论文奠定了光刻仿真 研究的基础，同时也催生了加州大学伯克利分校a r n e u r e u t h e r 领衔的研究小组开发出世 界上第一个光刻模拟软件s a m p l e o ”“。s a m p l e 采用部分相干光源替代了d i l l 原先提 出的不相干光源用于成像计算，用串算法替代单元算法用于光刻胶显影的计算。后来由c a m a c k 开发的p r o l l t h ( p o s i t i v er e s i s to p t i c a ll i t h o g r a p h ym o d e l ，正胶光刻模型) m “1 ， 是第一个可运行于个人计算机上的光刻模拟软件，使光刻仿真成为所有的光刻工程师直观理 解和接受的工具。 从2 0 世纪8 0 年代至今，很多商用光刻模拟软件开始应用于半导体界，成为光刻应用不 可缺少的工具。目前世界卜主要的集成电路生产厂商如f u j i t s u ，i b m ，i n t e l 。m o t o r o l a ，n e c 。 t i ，t s m c ，u m c 等件自己的生产线r 都采用了各种各样的相关技术。在使用其内部开发 的一些r e t 处理工具以外，