（电路与系统专业论文）适用于超深亚微米集成电路制造与验证流程的光学邻近修正方法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 过去几十年来，微电子技术的高速发展以及各类应用对电路性能需求的日益增长 使得现代集成电路系统的规模和复杂程度日趋提高，这必将对集成电路制造技术提出 更高的要求。就当今主流的集成电路制造技术而言，光刻分辨率增强技术( r e s o l u t i o n e n h a n c e m e n tt e c h n i q u e s ，r e t s ) 使得制造比光刻所用光源波长小两到三倍的特征尺寸 成为可能，现在1 9 3 n m 波长的光源被用来生产6 5 n m i 艺的集成电路。光刻技术的极限 已经远远超出了人们的想像。在所有的光刻分辨率增强技术中，光学邻近修正( o p t i c a l p r o x i m i t yc o r r e c t i o n ，o p c ) 是最为成熟以及应用最为广泛的一种。它通过修改掩模图 形的形状来达到补偿失真的目的。快速而高精度的修正算法、良好的版图设计风格以及 精确的光刻模型是成功实施光学邻近修正的关键。本文将会介绍在这三个方面所做的工 作。 基于模型的光学邻近修正算法( m o d e f b a s e do p c ，m b o p c ) 是一个迭代过程。迭 代的收敛性同时取决于迭代的初值以及迭代方向的选择。为了提高算法的收敛速度以及 收敛范围，本文提出了一种新的矩阵式光学邻近修正算法。新算法通过考虑边之间的互 相影响使得所选择的迭代方向更为有效。本文也介绍了一些加快j a c o b i a n 矩阵计算以及 线性方程组求解的方法，以进一步提高新算法的计算速度。 本文提出了一种有较快的修正速度且有相对精确的修正精度的边偏移建模方法。使 用此方法可以为传统的光学邻近修正算法提供较为精确的迭代初值。虽然新加入的初值 计算步骤需要一定的运算时间，但是精确的迭代初值减少了收敛所需的迭代次数，从而 可以有效地减少总的运行时间。 成功的光学邻近修正也依赖于版图设计风格。些图形组合难以通过修正而得 到足够的制造裕量，这些图形通常被称为o p c 不友好的( o p cu n f r i e n d l y ) 。为了减 少设计的回转时间，设计者必须在将版图送至代工厂之前尽可能多地找到o p c 不友 好的区域并加以修正。这一流程通常被称之为光刻友好的版图设计( l i t h o - f r i e n d l y o e s i g n ，l f d ) 。本文介绍了两种基于边偏移建模方法构建的o p c 算法。修正速度快且 易于使用的特点使得这两种算法适于在光刻友好的版图设计流程中使用。 基于部分相干理论的光刻成像系统建模方法早在几十年前就被提出，并且在工业界 得到了广泛的使用。然而当所制造的特征尺寸越来越小，光刻系统使用了更为高级的配 置。这使得我们必须考虑更多的物理效应来保持模型的精度，比如必须使用矢量成像模 型来描述有高数值孔径投射透镜的系统。制造工程师必须通过修改模型的结果来建立新 浙江大学博士学位论文 的模型，这通常是困难而且是耗时的。本文介绍了一种新的光刻建模环境。除了实现了 传统的建模流程之外，新工具还提供一组易于定制以及扩展的模块。使用这些模块，用 户可以通过编写简明的t c l 脚本来实现的新的光刻模型。这能够大幅提高建模的效率。 关键词：光学邻近修正、光刻仿真、光刻友好的版图设计、可制造性设计、亚波长 光刻 i i a bs t r a c t i nt h el a s ts e v e r a ld e c a d e s , t h ef a s td e v e l o p i n go fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dg r o w - i n gr e q u i r e m e n t sf r o mt h ev a r i o u sk i n do fa p p l i c a t i o n sm a k et h em o d e mi n t e g r a t e d c i r c u i t ( i c ) m o r ec o m p l i c a t e di ns c a l ea n df u n c t i o n a l l y t h e s ew i l li n e v i t a b l yl e a dt o t h eh i g h e rd e m a n d sf o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e so fi cs y s t e m s a sf a ra st h es t a t e o ft h ea r to fi cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，t h et e c h n i q u eo fs oc a l l e dr e s o l u t i o ne n h a n c e - m e n tt e c h n i q u e s ( r e t s ) m a k ei tp o s s i b l et op r o d u c tf e a t u r e s2o re v e n3t i m e ss m a l l e r t h a nt h ew a v e l e n g t ho fi l l u m i n a t i o ns y s t e m t h el i m i t so fo p t i c sh a v eb e e np u s h e dw e l l b e y o n dw h a tw a se x p e c t e dj u s taf e wy e a r sa g o a sf o rn o w , i l l u m i n a t i o no f1 9 3 n m w a v e l e n g t hi su s e di n4 5 n m i cp r o d u c t i o n a m o n ga l lk i n d so fr e t s ，o p t i c a lp r o x i m i t y c o r r e c t i o n ( o p c ) i st h em o s ts o p h i s t i c a t e da n dw i d e l yu s e dt e c h n i q u e i ta c h i e v e st h e a i mo fc a n c e l i n go u td i s t o r t i o na n di m p r o v i n gt h ep r i n t - a b i l i t yb ym o d i f y i n gm a s kp a t - t e r n s s o p h i s t i c a t e dc o r r e c t i o na l g o r i t h m ，g o o dl a y o u td e s i g ns t y l ea n d a c c u r a t em o d e l o fl i t h o g r a p h ys y s t e ma r et h r e ek e y so fs u c c e s s f u lo p c i nt h i st h e s i sw ew i l li n t r o d u c e o u re f f o r t so na l lt h e s et h r e ea s p e c t s m o d e l - b a s e do p c ( m b o p c ) i sa ni t e r a t i v ep r o c e s s i t sc o n v e r g e n c ed e p e n d so n b o t ht h ei n i t i a lv a l u e sa n dt h es e l e c t e dd i r e c t i o no fi t e r a t i o n i nt h i st h e s i s ，an e wk i n d o fm b o p ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ec o n v e r g e n ts p e e da n dc o n v e r g e n t r a n g e , w h i c hi sb a s e do ng e n e r a l i z e di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n sa n dt a k e st h ei n - t e r a c t i o n sb e t w e e ne d g e si n t oa c c o u n t t om a k et h en e wa l g o r i t h mf a s t e r , af e wm e t h - o d st oa c c e l e r a t et h ej a c o b i a nm a t r i xc a l c u l a t i o na n dl i n e a rs y s t e ms o l v i n gp r o c e s si s a l s oi n t r o d u c e d a ne d g eb i a sm o d e l i n gm e t h o di sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s , w h i c hh a sv e r yf a s t c o r r e c t i o ns p e e da n dm o d e r a t ec o r r e c t i o na c c u r a c y b e t t e ri n i t i a lv a l u e sf o rt h ei t e r a t i v e p r o c e s so fc o n v e n t i o n a lm o d e l - b a s e do p ca l g o r i t h mc a n b ep r o v i d e db yt h i sm e t h o d ， w i t hal i t t l er u n - t i m ep e n a l t y t h en u m b e ro fi t e r a t i o n si sr e d u c e db e c a u s eo ft h eb e t t e r i n i t i a lv a l u e s t h u st h et o t a lr u n - t i m ei sr e d u c e de f f i c i e n t l y s u c c e s s f u lo p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n a l s or e l i e so n l a y o u td e s i g ns t y l e s o m ep a t - t e r nc o n f i g u r a t i o n sa r eh a r d e rt ob ec o r r e c t e dt og e te n o u g hp r o c e s sm a r g i n ，w h i c ha r e u s u a u yc a l l e d “o p c u n f r i e n d l y “f o rap a r t i c u l a rl i t h o g r a p h i cp r o c e s s t os a v ed e s i g n i i i 英文摘要浙江大学博士学位论文 s p i nt i m e , i ti sn e c e s s a r yt of i n do u ts u c hp a t t e r n sa n df i xt h e ma sm a n ya sp o s s i b l e b yt h ed e s i g n e rb e f o r el a y o u ti ss e n tt om a n u f a c t u r e r t h i sk i n do fo p c - a w a r el a y o u t d e s i g ni su s u a n yc a n e d a sl i t h o 。f r i e n d l yd e s i g n ( l f d ) i nt h i st h e s i s ，t w oo p cm e t h o d s b a s e do ne d g eb i a sm o d e l i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，w h i c ha r eg o o dc a n d i d a t e sf o r t r i a l - o p ci nl f d l i t h o g r a p h ys y s t e mm o d e l i n gb a s e do np a r t i a lc o h e r e n c ei m a g i n gt h e o r yw a sp r o - p o s e ds e v e r a ld e c a d e sa g o ，a n dw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r y h o w e v e rw i t hi n i n i l n u i l f e a t u r es i z i n gd o w n ，m o r ea d v a n c e dc o n f i g u r a t i o n sa r eu s e di nl i t h o g r a p h ys y s t e m s w h e ni th a p p e n s , m o r ep h y s i c a lp h e n o m e n ai nt h em o d e ls h o u l db ec o n s i d e r e dt ok e e p m o d e l i n ga c c u r a c y f o re x a m p l e v e c t o rm o d e ls h o u l db eu s e di n s t e a do fs c a l a rm o d e l t od e s c r i b es y s t e m sw i t he x t r e m e l yh i g hn a t h i sr e a l i t yb r i n g sr e t e n g i n e e r sah e a v y t a s kt h a tt h e ys h o u l db u i l dn e wm o d e l sf o rn e w l i t h o g r a p h i cc o n f i g u r a t i o n s ，n o to n l y b yc h a n g i n gt h em o d e lp a r a m e t e r sb u t a l s oc h a n g i n gt h em o d e ls t r u c t u r ei t s e l f u s u a l l y t h i ss t e pi sn o t e a s ya n d t i m ec o n s u m i n g i nt h i st h e s i s ，an e w l i t h o g r a p h ym o d e l i n ge n v i r o n m e n ti si n t r o d u c e d ，b e s i d e si m p l e m e n t i n gt h ec o n v e n t i o n a lm o d e l i n gf l o w , i ta l s o p r o v i d e sas e to fh a n d y t o o l st oe a s i l yc u s t o m i z ea n db u i l dm o d e l sf o rl i t h o g r a p h ys y s 。 t e mw i t ha d v a n c e dc o n f i g u r a t i o n s u s e r sc a nb u i l du pt h em o d e lb yw r i t i n gac o n c i s e t c l t ks c r i p tu s i n gt o o l sp r o v i d e db yt h i se n v i r o n m e n t , w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h e m o d e lb u i l d i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：o p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ，l i t h o g r a p h ys i m u l a t i o n , l i t h o f r i e n d l y d e s i g n ，d e s i g nf o rm a n u f a c t u r a b i l i t y , s u b w a v e l e n g t hl i t h o g r a p h y w 插图列表 1 1i t r s2 0 0 7 世界集成电路主流制造工艺发展历史以及趋势2 1 2 典型的光刻工艺过程3 1 3主流集成电路生产工艺所用光刻光源波长的演进历史和发展趋势4 1 4 光学邻近修正技术示意6 1 5 使用二值掩模、交替式移相掩模以及削弱式移相掩模时双线图形的成像情况8 1 6 离轴照明原理示意 9 1 7 常见的离轴照明光源，9 1 8 次分辨率辅助图形技术示意( 联合使用了光学邻近修正技术)1 0 1 9 难以实施光学邻近修正的区域示例。1 1 1 1 0 光刻友好的版图设计流程，1 2 2 1 一维图形的光学邻近效应( 图中数据仅作示意只用，非实测) 1 6 2 2 方角圆化1 7 2 3 线端回缩，1 8 2 4 潜在桥接1 8 2 5 潜在断裂1 9 2 6 基于规则的光学邻近修正算法的示意图1 9 2 7 随着特征尺寸减小，修证规则包含的参数迅速增加2 0 2 8 基于模型的光刻邻近修正算法的流程图2 1 2 9 基于模型的光学邻近修正算法各过程的示意图2 2 3 1 光刻成像系统的示意图2 6 3 2 某典型光学系统的卷积核组2 8 3 3 为计算版图中心点的光强所需截取的版图区域2 9 3 4 三种类型的基元图形( 基元图形的右上角坐标( z ，可) 是可变量) 2 9 3 5 复杂图形分解成基元图形的组合并查表的过程。3 0 3 6 任意角度斜边的锯齿状近似3 1 3 7 光刻胶膜的厚度对成像的影响3 2 v i 插图列表 3 8 蚀刻后硅表面轮廓的偏移量3 4 3 9 软件的系统架构3 5 3 1 0 光源设置界面3 7 3 1 1 光瞳设置界面3 7 3 1 2 掩模设置界面3 8 3 1 3 程序主界面3 9 3 1 4 代码3 2 计算所得的t c c 矩阵。4 3 3 1 5 代码3 2 计算所得的卷积核组4 3 3 1 6l i t h o l a b 与s p u 订计算的t c c 矩阵之间的绝对误差4 4 3 1 7l i t h o l a b 与s p l a t 计算所得的特征值分布4 5 3 1 8 切向偏振( a z i m u t h a lp o l a r i z e d ) 光源不同偏振方向的发光强度分布4 7 3 1 9 标量模型与矢量模型计算轮廓的比较4 7 4 1传统m b o p c 算法以及矩阵式m b o p c 算法的边偏移计算过程4 8 4 2 迭代收敛控制出现的问题一：某些边不收敛4 9 4 3 迭代收敛控制出现的问题z - 边偏移值在两个位置之间震荡，收敛得很慢4 9 4 4 光强分布函数与泛光强分布函数5 0 4 5 j a c o b i a n 矩阵系数的计算过程。5 4 4 6j a c o b i a n 矩阵的稀疏性5 5 4 7 边缘放置误差计算示意。5 5 4 8j a c o b i a n 矩阵的稀疏度随着互扰半径的大小变化( 其中x 表示非零元)5 6 4 9 将版图切分为小的区块。5 7 4 1 0 区块重用的两种策略5 8 4 1 l 光强函数求值、j a c o b i a n 矩阵求值以及稀疏线性方程组求解这三个步骤的 运算时间比较5 8 4 1 2 当使用不同的互扰半径时残留e p e 的标准方差比较5 9 4 1 3 当使用不同的互扰半径时的运行时间比较6 0 4 1 4 各种o p c 算法的运行时间在改变单次修正的区块尺寸时的变化趋势6 1 4 1 5 修正之后的残留e p e 分布6 2 4 1 6 使用矩阵式m b o p c 算法的一个修正结果。6 2 i x 插图列表 5 1 边的偏移量以及其环境“ 5 ，2 函数形状对卷积值的影响。6 5 5 3 适于求环境特征谱的二维函数组示例( 此处为某光刻模型的卷积核组) 6 5 5 4 不同边的环境特征谱的例子6 6 5 5 从修正例子中提取参数6 7 5 6 利用边偏移函数为m b o p c 算法提供迭代初值的方法的流程图6 9 5 7 各次迭代后残留e p e 标准方差的变化7 0 5 8 各次迭代所花时间。7 1 5 9 预修正与最终结果的比较7 2 5 1 0 由o p c 算法精度差异导致的错误警告以及真正错误的遗漏7 2 5 1 1 某一示例版图的颗粒度7 3 5 1 2 适用于光刻友好版图设计的自动化光学邻近修正算法的基本流程7 4 5 1 3 新算法与传统m b o p c 算法修正的结果以及成像轮廓的比较7 6 5 1 4 修正后的标准单元单独放置时的光刻仿真结果7 7 5 1 5 修正后的标准单元右侧有其它单元时的光刻仿真结果7 7 5 1 6 基于边偏移函数改进的标准单元导向的光学邻近修正算法的基本流程7 8 5 1 7 偏移量加权函数( ( r ) 7 9 5 ，1 8 实验所用的标准单元阵列，8 0 5 1 9 四种o p c 算法对图5 1 8 所示标准单元阵列进行修正后各区域的修正精度比较8 1 6 1 光刻仿真建模需要考虑的其他物理效应。8 5 x 表格列表 3 1 数学库中包含的函数种类及其实现方式3 5 4 1 五( i ，歹) 所需要的计算量5 3 5 1 新算法与传统m b o p c 算法的修正速度与精度比较7 5 5 2 利用新算法与传统m b o p c 算法查找出的不友好区域比较7 5 5 3 改进的标准单元导向的o p c 算法与传统m b o p c 算法的修正速度与精度比较8 0 5 4 利用改进的标准单元导向的o p c 算法与传统m b o p c 算法查找出的不友好 区域比较8 1 x i 代码列表 3 1 利用预定义模块建立的光刻模型模板4 0 3 2 利用数学库建立的光刻模型模板( 模型建立部分) 4 1 3 3 利用数学库建立的光刻模型模板( 光强计算部分)4 2 3 4 扩展的光源模块，加入对切向偏振( a z i m u t h a lp o l a r i z e d ) 光源的支持4 6 4 1 l e v e n b e 玛一m a r q u a r d t 算法求解非线性最小二乘问题伪代码5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用奉授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话：( 0 5 7 1 ) 8 7 9 5 1 8 4 5 通讯地址：浙江大学玉泉校区1 7 1 3 信箱邮编：3 1 0 0 2 7 e m a i l ：k e n i e c h e n g m a i l c o m 9 9 第1 章绪论 本章要点： 纳米级的集成电路给集成电路制造工艺带来巨大挑战； 亚波长光刻的生产条件导致光刻过程产生严重畸变； 分辨率增强技术被广泛用于提高集成电路制造的精度； 集成电路的可制造性设计以及光刻友好的版图设计； 本文的研究内容、创新点与组织。 1 1 引言 1 9 0 6 年电子管的问世，1 9 4 8 年晶体管的发明，1 9 5 8 年集成电路( i c ) 的诞生，至 今短短百余年间，电子技术给人类社会带来了翻天覆地的变化。特别是集成电路问 世5 0 年以来，以其为基石的i t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s ) 产业发展速度惊人，一直印 证着m t e l 公司的创始人之一g o r d o nm o o r e 提出的摩尔定律，即每隔十八个月集成电路 的集成度( 即单位面积上晶体管的平均数目) 就翻一倍，计算机等i r r 产品的性能会翻一 番：另外一方面相同性能的产品每十八个月价钱则会降为原来的一半。 集成电路的集成度按照着摩尔定律增长，同时也意味着晶体管的尺寸按照着摩尔定 律同步缩小。图1 1 所示为i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c - t o r s ) 2 0 0 7 年给出的从1 9 9 5 年到2 0 2 2 年世界集成电路主流制造工艺发展历史以及趋势数 据【1 】，我们可以看至1 j 2 0 0 8 年初的商业化半导体芯片主流制造技术已经达至u 6 5 n m 线宽， 预计今后将很快发展成熟至n j 4 5 n m 及3 2 r i m 以下。这标志着集成电路工业全面进入纳米级 时代，然而这要求集成电路制造技术也必须按照摩尔定律演进。更小的特征尺寸也意味 着制造过程对系统误差以及随机误差有更小的裕量，工艺参数的微小偏差都会导致生产 出的电路性能下降甚至于出现功能错误。集成电路制造工艺面临着巨大的挑战。 1 2 集成电路制造工艺流程 目前集成电路制造工艺所采用的主要手段是通过光刻将集成电路版图逐层转移到硅 片表面。如图1 2 所示，一个典型的光刻过程可以大略的分为如下的五个步骤【2 】： 准备由于基底的不平整会对光刻过程产生较大的影响，因此必须先通过化学机械 抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 等手段将基底处理平整，这一步 1 ! ：笔墨壁垒坠塑兰三堇堕堡， ：一一一堑垩查! 墼坠兰堡墼 。： d r a m m li 2p i t c h 口m p u m i1 陀p i t c h f 2 5 一y e a r c y c l e ) f l a s hp o l y1 2p l k h m p u g a t el e n g t h - p r i n t e d xm p u g a l el e n g l f l 图11 i t r s2 0 0 7 世- 界集成电路主流制造工艺发展历史毗覆趋势 骤被称为基底准备( s u b s 打a t ep r e p a r a t i o n ) ，此后在基底上涂上液态的光刻胶 ( p h o t o r e s i s t c o a t i n g ) ，通过前烘烤( p r e b a k e ) 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。 曝光对准及曝光( a l i g n m e n t a n de x p o s u r e ) 是光刻过程巾的关键i ：序，必须在高精度 的光刻机上完成，目前使用的光刻机的单价在千万美元以上。光刻胶在接受光照 后其化学物理性质会茇生变化。根据其性质变化的不同可分为正胶( p o s i t i v e r e s i s t ) 和负胶( n e g a t i v er e s i s t ) 两种。正胶的感光区域软化，从而可以用化学试 剂洗去。负胶的感光区域抗蚀，通过化学试剂可以将未感光的区域洗去，而留下 感光的部分。 显影首先通过曝光后烘烤( p o s t - e x p o s u r e b a k e ) 米稳定感光的区域并且减轻由于光场 在光刻胶上下表面反射而产生的驻波效应( s t a n d i n g w a v ee f f e c t ) ，然后使用溶剂 去除感光或未感光的部分( d e v e l o p m e n t ) ，并通过后烘烤( p o s t b a k e ) 去除残留 溶剂，加固胶膜以增强在后工序蚀刻时的耐蚀能力。 处理对显影区域的基底进行处理，主要包括蚀划( e t c h i n g ) 沉积( d e p o s i t i o n ) 以 及离了注入( i m p l a n t a t i o n ) 等打式。蚀刻使用化学药物或者可反应气体刻蚀朱被 2 粤 一 堂堡查型丝丝塑三一 丝塞丝 _ 十准及曝光 ( 正胶) 1 对准及曝光 ( 负胶) 阳 ll 曝光后烘烤 ll l u - i予 _ ju 圆 h 黑丽 l金属多 l 品硅沉积 i l 一 图12 ：典型的光剥工艺过程 光刻胶保护的部分，在基底上刻出图形，基底可能是s 2 岛、3 儿、多晶硅、硅化 物以及铝铜等金属。沉积在基底上沉积多晶硅或金属以形成绝缘或导电层。离子 注入则向基底中打入杂质离子，实现所要求的杂质分布。 去胶去胶( r e s i s t s t r i p p i n g ) 过程去除剩余的光刻胶以及其他多余物质。 简单的来说，整个光刻工艺就是系列图形转移的过程，和照片印刷的概念十分类似。 首先通过撤光刻写等手段将版图图形转移到掩模版( m a s k ) 表面。在光刻过程巾，光 源投射的光线透过掩模版后在硅片表面的光刻胶中形成掩模嘲彤的空问像。光刻胶感光 后发生化学反应，经过定影显影的步骤后掩模图形转移至光刻胶上，而后再经过烘烤以 及蚀刻等若干步骤后，掩模图形转从光刻胶表面转移至硅基表面。从而最终实现集成电 路版图图形向硅基表面的转移。然而由于物理系统的各种限制，这种图形转移过程不可 能是精确的，而是存在着各种畸变。 1 3 光学邻近效应 在成像过程中，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 理光波绕过障碍时会发生衍射和干涉现象，困此实际投射到硅片上的光强分布是衍射 光波的迭加效果，光刻胶表面的图形与掩模图形并不是完全相同的。 光刻成像系统的理论分辨率一般通过瑞利方程 2 1 1 3 确定： r = k 1 而a 3 ( 1 1 ) 年份 图1 3 ：主流集成电路生产工艺所用光刻光源波长的演进历史和发展趋势 其中，分辨率r 定义为栅格图形最小间隔周期的一半，a 、n a 分别为光源波长以及光 刻系统的数值孔径，而k 】为与工艺相关的常数。可以看到分辨率r 与光源波长是成正 比的。当掩模版图形尺寸远大于光源波长，亦即远大于分辨率r 时，由衍射产生的图 形偏差可以忽略不计，在这种情况下光刻胶膜中通过曝光形成的光刻图形与掩模版 图形基本相同。然而由于技术发展和资金规模的限制，光刻机所用光源波长的减小 速度远远慢于电路特征尺寸的减小速度。随着生产工艺的演进，光刻波长与特征尺 寸两者之间的差距越来越小。图1 3 给出了主流集成电路生产工艺所用的光刻光源波 长的演进历史和发展趋势预测。可以看出从0 2 5 u m 技术节点开始，集成电路特征尺寸 开始小于光刻所用光源波长，并且两者之间的差距在逐年增加。以9 0 n m 和6 5 n 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 ，特征尺寸还不到光源波长的一半。 这种现象被称之为“亚波长光刻”。i n t e l 公司在2 0 0 3 年放弃了其对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 光刻技术直多 3 2 n m 技术节点 4 1 ，i b m 公司在2 0 0 7 的 研发计划中提出将会一直使用1 9 3 n m 光源结合浸润式光刻技术至z j 2 2 n m 技术结点【5 】。 而下一代光刻技术( n e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y , n g l ) 如极紫外光刻( e x t r e m e u l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h y ，e u v l ) 【6 1 7 】、电子束曝光光刻( e l e c t r o n - b e a r np r o j e c t i o n l i t h o g r a p h y ，e p l ) 【8 1 、纳米压印光刻( n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ，n i l ) 【9 】等都还 处于研发与试验阶段，大范围的应用还遥遥无期 1 0 1 1 1 1 】。因此存很长的一段时间里，光 4 刻工艺会一直处在“亚波长光刻 的条件下。所生产集成电路的特征尺寸接近曝光系统 的理论分辨率极限。在这种情况下，硅片表面成像相对于原始版图出现边角圆化，线端 缩短，线宽偏差等严重的不一致。 这种掩模图形和硅基表面实际印刷图形之间的图形转移失真现象，一般被称之为光 学邻近效应( o p e ，o p t i c a lp r o x i m i we f f e c t s ) 。图1 4 a 和图1 8 a 给出了两个硅片表面成 像仿真的例子，可以看到图形的畸变非常严重。这些图形失真现象最终将造成集成电路 电学特性的偏差，从而影响最后产品的性能参数并降低集成电路的生产成品率。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，这种硅圆片表面实际印刷图形 的形变与偏差变得越来越严重，如果不经过修正直接进行光刻有可能得到畸变非常严重 的图形或者根本不出现图形。 另外，由于硅片平整度误差、光刻胶厚度不均匀、调焦误差以及视场弯曲等因素的 存在，最佳成像平面与实际成像平面之间总是存在一定误差。这被称之为离焦，离焦一 般会导致畸变的进步加剧。并且由于光刻胶层有一定的厚度，要保证蚀刻质量也要求 其上下表面的成像有一定的一致性。这都要求成像系统要在理想成像平面上下一定范围 之内都要有较佳的成像效果，一般将这一范围称之为焦深( d e p t ho ff o c u s ，d o f ) 。 焦深可以通过下面的公式计算： d 。f = k 。志 ( 1 2 ) 其中，入、n a 分别为光源波长以及光刻系统的数值孔径，而为与工艺相关的常数。可 以看到d o f 也是与光源波长是成正比的，与数值孔径成反比的。所不同的是分辨率r 是 越小越好，而焦深则是越大越好。因此如果通过减小光源波长以及增大n a 的方法提高 分辨率则同时也会降低系统的焦深，两者是矛盾的。在“亚波长光刻”的条件下，光刻 系统的焦深也难以满足工艺流程的要求。 在光刻胶定影、显影以及蚀刻过程中由于扩散速率以及化学反应浓度等物理参数在 硅基表面的各个位置并不完全一致，也会导致光刻胶表面图形转移至硅基表面产生畸 变 1 2 1 1 1 3 1 。 在使用激光或者电子束刻写掩模图形的时候也会存在失真的现象，这一般被称为掩 模邻近效应( m a s kp r o x i m i t ye f f e c t ) 【1 4 1 ，随着集成电路特征尺寸的减小，其对硅片表 面实际印刷图形的影响也越来越大。 1 4 分辨率增强技术 为了减轻以及抵消亚波长光刻工艺产生的日益严重的光学邻近效应，业界提出并 广泛采用了在不改变光刻波长的前提下通过控制光刻系统的其他各项参数( 减小七1 ， 5 ( a ) 修正前版图及其仿真结果( b ) 修正后版图及其仿真结果 图1 4 ：光学邻近修正技术示意 增大如) 来实现提高图形转移质量，减小光刻畸变和提高系统焦深的分辨率增强技 术( r e s o l u t i o ne n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y ，r e t ) 【1 5 1 1 1 6 ，这其中主要包括了如下几 类： 1 4 1 光学邻近修正 光学邻近修正( o p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ，o p c ) 【1 7 1 1 1 8 1 9 】的基本方法是通 过系统的改变掩模版上图形的形状，从而改变光刻过程中的透射光场的分布。由光学衍 射和工艺的非线性所引起的失真因此可以得到适当的补偿。 图1 4 b 给出了图1 4 a 所示原始版图经过光学邻近修正以后的版图形状以及其在相同 工艺条件下的仿真结果，可见经过对掩模的形状进行系统的修正后，光刻结果能够有较 大的改善。由于实施光学邻近修正需要改变的只是版图形状，而对光刻工艺和光掩模制 造工艺都没有任何特殊要求，因此应用此技术所需付出的代价较小，且易于与其他的分 辨率增强技术联合使用。