（电路与系统专业论文）纳米尺度下光学邻近校正的预处理与后验证研究.pdf

摘要 作为超大规模集成电路制造中图形转移部分( p a t t e r nt r a n s f e r ) 的关键方法，光刻技 术( p h o t o 1 i t h o g r a p h y ) 越来越显得举足轻重。特别是由于工艺进入纳米尺度，对于目前 的6 5 纳米和4 5 纳米技术节点，因过于接近光刻成像系统的极限而使得实际刻出图形有 严重畸变，于是如分辨率增强技术( 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 ) 和面向可制 造性的设计辅助( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r a b i l i t y ，d f m ) 成为不可或缺的一环。光学邻近校 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 ) 便是经常使用的分辨率增强技术。一方面，亚分辨 率辅助图形( s u b r e s o l u t i o na s s i s t f e m u r s ，s r a f ) 作为光学邻近校正的预处理步骤，会在 主图形周围加入辅助图形以改善光强对比度以及焦深。而另一个方面，热点检：澳l j ( h o t s p o t d e t e c t i o n ) 贝w j 是光学邻近校正后验证的关键步骤，它以快速、可靠定位光刻过程中可能出现 的问题区域，从而帮助光学邻近校正配方进行修复和调整。 本文研究并提出了一种利用测试图形优化亚分辨率辅助图形配方的方法，该法将一维 参数与二维参数分步优化。与传统得到亚分辨率辅助图形配方方法比较，能较好地减少边 放置误差，改善工艺窗口，并减小配方的复杂度。通过6 5 纳米工艺节点的实验，表明了该 种方法能够减小1 0 的边放置误差。同时工艺窗口有很好改善，未出现亚分辨率辅助图形 刻出的现象。 本文还实现了一种利用切分信息和支持向量机的热点检测方法。该方法用光学邻近校 正切分时候的信息加以特征提取。在支持向量机中进行训练后，能进行光学邻近校正后版 图的热点检测且无需定义热点类型。通过在4 5 纳米工艺节点的实验，最后有8 0 的热点检 测正确率。 关键词：光学邻近校正，测试图形，亚分辨率辅助图形，热点检测，支持向量机，切分 i i i a b s t r a c t a sac r i t i c a lm e t h o do fp a t t e r nt r a n s f e r r i n gf o rv e 巧l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( v l s i ) m a n u f a c t o r i n g ，p h o m - l i t h o g r a p h yh a sb e c o m em o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t e s p e c i a l l yw h i l ei n d u s t r ye n t e n n gt h en a n o m e t e r - s c a l ef a b r i c a t i o ne r a ，c u r r e n t l yo n6 5 n ma n d4 5 n mt e c h n o l o g yn o d e s ， t h e r ea r ee x t r e m ed i s t o r t i o n so w n i n gt or e a c h i n gt h el i m i to fo p t i c a li m a g i n gs y s t e mt h a tc a u s er 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 ya n d d e s i g nf o rm a n u f a c t u r a b i l i t yt ob ei n e v i t a b l ea n d e s s e n t i a l 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 ) i sar e g u l a rr 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 ) o n o n eh a n d ，s u b - r e s o l u t i o na s s i s tf e a t u r e s ( s r a d ，a so n eo ft h ep r e p a r a t i o n s t a g ef o ro p c ，i n s e r t s a s s i s tf e a t u r e sa r o u n dm a i nf e a t u r e ss oa st oe n h a n c ec o n t r a s to fi m a g i n gi n t e n s i t ya n dt oi m p r o v e d e p t ho ff o c u s o nt h eo t h e rh a n d ，h o t s p o td e t e c t i o n ，ab a s i cs t e po fp o s t - o p cv a l i d a t i o n ，c a i l q u i c k l ya n dc r e d i b l yl o c a t et h ee r r o ra r e a su n d e rl i t h o g r a p h yp r o c e s s ，t h e r e f o r eo p cr e c i p et u n i n g o rf i x i n gc a nb ea i d e db yi t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sa n d p r o p o s e sam e t h o du s i n gt e s tp a t t e r no p t i m i z i n gs r a fr e c i p e 1d p a r a m e t e r sa n d2 dp a r a m e t e r so fs r a fr e c i p ea r eo p t i m i z e ds t e p b y s t e p c o m p a r i n gw i t ht h e c o n v e n t i o n a ls r a f r e c i p em e t h o d ，i tc a nd e l i v e rl e s se d g ep l a c e m e n te r r o r ( e p e ) ，w i d e rp r o c e s s w i n d o w , a n ds i m p l e rr e c i p ec o n t e n t o nt h e6 5 n mt e c h n o l o g yn o d ee x p e r i m e n t ，e p eh a sb e e n d e c r e a s e d10 w i t ht h i sm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o c e s sw i n d o w sh a v ea l s oi m p r o v e d w i t h o u ts r a f p r i n t i n g - o u t t h i sd i s s e r t a t i o na l s oi m p l e m e n t sah o t s p o td e t e c t i o nm e t h o du s i n gs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a n dd i s s e c t i o ni n f o r m a t i o n i ti n c l u d e ss p o tf e a t u r ee x t r a c t i o nw h e nr u n n i n go p c d i s s e c t i o n a f t e rt h es v md a t a t r a i n i n g ，t h ep o s t o p ch o t s p o t so nr e t i c l ec a nb ep r e d i c t e dw i t h o u t d e f i n i n ga n yt y p e so fh o t s p o t o nt h e4 5 n mt e c h n o l o g yn o d ee x p e r i m e n t ，t h eh o t s p o td e t e c t i o n a c c u r a c yi s8 0 k e y w o r d s ：o p c ，t e s tp a t t e r n ，s r a f , h o t s p o td e t e c t i o n ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，d i s s e c t i o n i v 谨以学位论文，献给喜结连理的新人，高中同班好友严之俊和他的妻子曹渝伟 致谢 杭州是一个美丽的城市，在此，我度过了短短两年又七个月的时光，老和山下，玉泉 奔腾不息的泉水声和松鼠在p a p e r 上留下的脚印皆令我难以忘怀。 不禁想起了幼年时期自己也在西欧某小镇呆得那么长时间，很感慨时光之水如此迅速 于指尖滑过，家父旋转的学位帽1 把我从西方世界带回了东海之滨。 是故我应当首先谢恩父母。没有他们的支持和鼓励，没有他们日常对我无微不至的照 顾和殷殷切切的叮嘱，我恐怕无法将学业进行下去。正是家父和家母的支持下，我来到了 浙江大学，来到了超大所。万分荣幸的是，超大所也接纳了我。 我更要申谢的是我的导师，史峥老师。正是他的循循善诱下，我才从懵懂之人慢慢进 入角色，才在实验室发挥自己的作用，能为z o p c 组添砖加瓦。也正是史老师的宝贵意见， 使得我逐渐了解并如愿在这个领域开始学习。春夏秋冬，在生活和研习中的诸多疑惑，史 老师始终如一的解答和鼓励，我才能在茫茫迷途中，望见光明的指引。整年累月，在项目 和论文上的种种犯错，史老师宽宏大量地原谅和教诲，我才会在失之毫厘的时候，不至于 缪之千里。史老师的建议和提醒，我会永远牢记在心。 我也要不分轩轾地表达谢意：严晓浪老师、潘赞老师和黄凯老师在系统芯片设计导 论，吴晓波老师和赵梦恋老师在c m o s 模拟与混合集成电路设计，王维维老师在硬件描述 语言与系统仿真，沈海斌老师在超大规模集成电路设计基础，竺红卫老师在嵌入式系统与 技术，虞小鹏老师在c m o s 射频集成电路设计，潘志刚老师在物理设计自动化以及史老师 在i c c a d 流程，还有张培勇老师和罗小华老师的平时指点，何乐年老师和郑勇军老师平 时的关照。老师们的悉心教学和指导，令我收益颇丰。我会铭记研究所内老师们的忘我贡 献，为人师表。 我当然也要感谢z o p c 实验室和所内所有的师兄师姐、师弟师妹们的关怀和帮助。我 要感谢林斌师兄和罗凯升的通力协作与配合，你们的合作让我有了继续一起加油的决心 和勇气，你俩对我在课题上的互助和协作，我会一直记得。我要感谢李扬环、申飞、南 1 那是顶研究所自行设计的学位帽方形的帽顶上画着欧亚地图，上面有两个转轮连接着国外和国内。 浙江大学硕士学位论文致谢 超州、周玉杰、吴诚之、孙理天，能同甘共苦，现在想来，这是一种来之不易的福气。我 要感谢杨棉巍师兄、沈泫师兄、沈珊瑚师姐、胡志卷师兄、张宏博师兄、谢春蕾师兄、 叶翼师兄和朱椒娇师姐，给以点拨和启示。我要感谢陈志锦师兄、马碉师兄、陈晔师兄 在z d f m _ t - 具开发时候所作的贡献和遇到问题时提出的建议。我要感谢s e m i t r o n i x 的任杰 师兄、潘伟伟师姐、张波师兄平时的答疑和解惑。我要感谢耿臻师弟、张腾师弟、刘得金 师弟、沈俊师弟、唐伊纳师妹、吕楠师弟和胡龙跃师弟，有你们的全力支持，我方才能乐 观向上，也相信你们能更上一层。我要感谢张俊班长、付大伟、秦琳、刘晓东、宋文华、 孙纲德等同级好友，平时在学习生活上提供的资讯。我要感谢数电实验室的龙彦辰师妹在 北京出差时的关心和帮助。我感谢所有支持我、帮助我的兄弟姐妹们。 我也愿向上海相关公司的前辈们对我求职时提供的帮助表示谢忱，在此不一一列举。 承蒙前辈们的协助，我方能顺利求职成功。另外我也对伍强老师、何波涌老师、程秀兰老 师表示谢枕，有了他们的课程，我才能在工艺方面建立比较好的概念和基础。 我还要感谢在新加坡国立大学，同一专业方向在读博士生的大学同学一瞿亿帆，他的 建议和协助时常令我茅塞顿开。也在此祝愿他在研究的道路上劈荆斩浪，最后载誉而归。 本文是用l a t e x 写作的。感谢t e x 的作者d o n a l de k n u t h ，l a t e x 的作者l e s l i el a m p o r t 以 及各宏包的作者为编写和完善软件所作出的努力，感谢c t e x 、浙江大学飘渺水云 i 日i b b s ( t e x 版) 、和交大饮水思源b b s ( t e x _ l a t e x 版) 对本文在l a t e x 2 使用方面提供的帮 助。也在此感谢z j u t h e s i s t e x 的网友们在h t t p ：c o d e g o o g l e c o m p zj u t h e s i s t e x 上 所提供的模版，特别是网友s h u w e i w d j 的c t e x 模板提供和疑难解答。 n 2 0 1 1 年1 2 f l j 杭州玉泉 插图 1 1 i t r s 的a s i c 类电路光刻工艺节点路线图 2 1 2 典型的波长1 9 3 纳米光刻工艺过程概览1 1 4 1 3 1 3 光刻机曝光示意图 1 5 j 4 1 4 一根1 3 0 纳米的线条在不同的空间周期在硅片上的线宽测量值 7 1 5 使用普通二值掩模、交替式移相掩模、削弱式移相掩模时，双线图形的成像 一隋形1 4 1 8 1 6 不同形状的离轴照明光源( 黑色为透光区) 【2 8 1 9 1 7 用于v i a 光刻的优化后的光源形状 2 9 1 9 1 8基于规则的光学邻近校正示意图d 4 i 1 0 1 9 基于模型的光学邻近校正流程示意图1 1 1 1 0 基于模型的光学邻近校正示意图【1 4 】1 2 1 1 1 针对o p e 的一维和二维测试图形列举1 3 2 1未加辅助图形出现的轮廓畸变1 4 2 2 孤立图形的归一化光强分布对比1 6 0 1 1 5 2 3 插入亚分辨率辅助图形在分辨率增强技术中流程中的位置1 8 2 4 插入亚分辨率辅助图形的实现流程1 9 2 5固定规则的s r a f 配方 6 3 1 2 0 2 6 亚分辨率辅助图形刻出现象2 0 2 7 测试图形优化亚分辨率辅助图形配方2 l 2 8 优化亚分辨率辅助图形的测试图形2 2 2 9 周测试图形优化后的s r a f 配方2 2 2 1 06 5 纳米经s r a f 和o p c 后的标准测试版图和轮廓2 4 2 1 14 5 纳米经s r a f 和o p c 后的标准测试版图和轮廓2 6 3 1 基于抽样掩模矩阵的热点抽取示意图【7 4 1 2 9 v 浙江大学硕士学位论文插图 基于版图图样拓扑图形热点抽取【删2 9 热点区域的信息测取示意图1 7 6 1 。3 0 基于切分的机器学习热点检测流程3 1 基于切分的机器学习热点检测示意图f 7 6 1 3 1 产生基于光学模型的亚分辨率辅助图形流程3 6 传统的分辨率增强计算和分布式分辨率增强计算比较3 8 传难以进行光学邻近校正区域示例1 1 4 1 3 8 v i 2 3 4 5 1 2 3 3 3 3 3 4 4 4 表格 2 16 5 纳米优化前后的亚分辨率辅助图形配方参数2 3 2 26 5 纳米优化前后的边放置误差实验结果2 3 2 34 5 纳米优化前后的亚分辨率辅助图形配方参数。2 5 2 44 5 纳米优化前后的边放置误差实验结果2 5 3 14 5 纳米标准测试电路的热点信息3 3 3 2 基于切分信息的机器学习热点检测测试结果3 4 v i i 缩写、符号清单、术语表 e d a i c c a d r e t d f m o p c s r a f p s m me e f e p e d o f d r c l r c m 兄c n g l e u v d p l o p e l f d s vm 电子设计自动化 集成电路计算机辅助设计 分辨率增强技术 面向可制造性的设计 光学邻近校正 亚分辨率辅助图形 相移掩模 掩模误差增强因数 边放置误差 对焦深度 设计规则检查 光刻规则检查 掩模规则检查 下一代光刻技术 极紫外光刻 双重图形光刻 光学邻近效应 光刻友好设计 支持向量机 v n i 1 绪论 1 1引言 若认为发现了电磁感应的法拉第以及创立了通用电气的发明大王爱迪生引领了2 0 世纪 初的世界进入了电气化社会，那么毫无疑问，2 0 世纪中叶才诞生的集成电路是当时出自未 来时代最为耀眼的明珠一与前辈们的大体积较量，晶体管总是显得小。同推动信息论的 克劳德香农相比，威廉肖克利等三人发明晶体管绝不因为人数的增多而让其意义减损 半分，因为恰恰是“新通信+ 微电路 构成了信息时代两个不可或缺的基石。以上两个案 例，预示着科学与技术的联合作用或许将彻底改变人类社会。 让我们回顾历史，作为晶体管中的一种，互补式金属氧化物半导体场效应晶体 管( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ，c m o s f e t ) 的受欢迎 原因总结有两点：一是它的平面工艺。对比双极性结型晶体 营( b i p o l a r j u n c t i o nt r a n s i s t o r ， b j t ) ，可以发现传统c m o s 的制造流程更加简单一它是平面堆砌的，这适合大规模的制 造。二是c m o s 具有良好的开关特性，对 = l b j t ，传统c m o s 的静态工作电流几乎为零，这 意味着作为数字逻辑电路时拥有更小的功耗。 然而，这两大好特性已经随着摩尔定律“尺度缩小”到了尽头i l l ：静态工作的微小电 流现在已成为了影响功耗的“庞然大物；需要用更好的不易击穿介质来代替二氧化硅作 为氧化层，甚至连金属层不得不用更好的方法进行隔离；2 2 纳米尺度下人们开始寻求更 好的非平面型m o s 器件；而光刻也走到纳米尺度，众多下一代光刻技术( n e x tg e n e r a t i o n l i t h o g r a p h y ，n g l ) 蓄势待发【2 1 。 回看中国大陆。2 0 1 0 年，中国大陆集成电路进口额达1 5 6 9 9 亿美元，而中国大陆集成 电路2 0 1 0 年出口额为2 9 2 5 亿美元【3 1 。中国大陆集成电路仍需依赖进口。另外一方面，由 于1 9 9 6 年生效的瓦圣纳协定w a s s e n a a r a r r a n g e m e n t l 4 i 存在1 ，中国大陆的企业在购买先进半 导体设备或先进e d a 软件产品时需要受到严格的限制f 5 1 ，甚至外资企业在华分支亦受技术 管制1 6 1 。 1 关于详细规定，参见c a t e g o r y3 ，c a t e g o r y4 。 l 浙江大学硕士学位丝壅 !堡鲨 - _ _ - _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ i - - _ _ 一 尚存一丝曙光的是，本土的产业链已经逐渐在政府的强力支持下f 7 】开始显现，属 于e d a 软件的 8 】与属于代工厂的【9 】在2 0 1 1 # - 自有非常好的业绩与发展。尤其是前者，已 经开拓为半导体设计公司在集成电路设计e d a t - 具链的整体解决方案。 1 2 纳米尺度光刻工艺简介 1 2 1 现状和挑战 4 5 3 2 2 2 1 6 f i r s ty e a ro fi cp r o d u c t i o n 2 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 3 2 0 1 42 0 1 52 0 1 6 2 0 1 72 0 1 82 0 1 9 2 0 2 02 0 2 1 i ) r j | “hr | “t i l l l ( 1 ( “t | l 二4 j“ 6 二 二，# ? i ? i二f ，t v64 ， x i i 卜t 、 ( 、h ，l u f 、f i 。r ”沌h m m 5 44 53 83 22 72 427 7 97 71 51 37 2 7 7 1 9 3n ml m i n e r s i o nw i t hw a t e r 髯拴蚴： ： ： - 1 9 3n mi m m e r s i o nd o u b l ep a t t e r nn a r r o w 豢k ： ： e u vo p t i o n s 誊、艮z 力夕z 乃黝 ：，j 一i e u v 心掣 川r 川。一唧1 9 3 n mi m m e r s i o nd o u b l e m u l t i p l ep a t t e r n n a r r 。o w 。 警 m l 2 ( m p uo n l y )o p t i o n s弋西口夕z 力夕黝 i m p r i n t ( d r a mo n l y )；i i e u v! ：i ； 19 3 n mi m m e r s i o nm u l t i p l ep a t t e r n n a rt o w i! m l 2 ) p to n s 卜i 飞杉夕z z z 乃 l m d r i n ti： 1 9 3 n mi m m e r s i o n + d s a i 。i 。 、 e u v j ，i j ，j m l 2 q a r r o wj i m p r i n t ：) p t i o n sl i 、 l i t h o + d s a i n n o v a t i v ep a t t e r n i n gs o l u t i o n 0 e n di n d i c a t e st h et i m ed u r i n gw h i c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n ta n dq u a l i f i c a t i o n p r e p r o d u c t i o ns h o u l db et a k i n gp l a c ef o rt h es o l u t i o r r e s e a r c n 咖咖d d e v e l o p m e n tu n d e r w a y ii 浙江大学硕士学位论文 1绪论 预量产做准备。2 2 纳米可能采用的是四种方法。一是用极紫外光刻e u v ；二是使用压印光 刻f n a n o i m p r i n t l i t h o g r a p h y ，n 瓜，) ；三是依旧波长1 9 3 纳米浸没式光刻，并使用双重或 者多重图形( d o u b l e m u l f i p l ep a t t e r n i n g ，d p m p ) ；四是无掩模光刻( m a s g l e s sl i t h o g r a p h y ， m l 2 ) ，实际使用的是电子束或多路电子束的方法进行图形转移。而预计在2 0 1 6 年浮出水 面、2 0 1 7 年开始量产的1 6 纳米光刻，会使用的方法除了有2 2 纳米的四种之外，还增加了一 种“1 9 3 纳米浸没式光刻+ 定向自组装技术3 的方法。由图1 1 所见，目前的2 2 纳米及以下 仍处于一个工艺研发的阶段，而最终谁会取代波长1 9 3 纳米浸没式光刻仍不明朗1 1 3 1 ，这预 示着现阶段的光刻研究工作很大一部分仍需要围绕波长1 9 3 纳米光刻进行展开。 1 2 2 波长1 9 3 纳米光刻工艺流程 对准及曝光 ( 正胶) 惮i 妇 对准及曝光 ( 负胶) i 一 蚀刻 金属多 之胶 羁硅沉积 h ii 离子注入 图1 2 典型的波长1 9 3 纳米光刻工艺过程概览【“1 如图1 2 ，一个典型的波长1 9 3 纳米光刻工艺过程可以大致分为如下的几个步骤： 1 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 s s m n g 。c m p ) 等手段将基底处理平整，这一步骤被称为基 底准备( s u b s t r a t ep r e p a r a t i o n ) 。 2 涂胶 在基底上涂上液态的光刻胶( p h o t or e m s tc o a t i n g ) - - - 由喷嘴喷到硅片表面的光刻胶会 3 d i r e c t e ds e l f - a s s e m b l y ，d s a t l l 1 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 因为硅片的高速旋转而受到离心力。在离心力的作用下，会由中心向硅片四周运动， 使得光刻胶越来越薄，其最后厚度由稳定的转速和胶的黏度决定。一般厚度t 反比于 转速的平方根一1 v 丽。光刻胶分为正胶( p o s i t i v er e s i s t ) 和负胶( n e g a t i v er e s i s t ) i 丙 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。 3 前烘烤 前烘烤( p r eb a k e ) 又称s o f tb a k e 。前烘烤的目的是将过多的溶剂驱赶掉，使得曝光后 的光敏感成分能够在空间上更加稳定，减少随机扩散，减少应力。并使光刻胶与硅 片表面的附着力增强。 4 曝光 对准及曝光( a u g n m e n ta n de x p o s u r e ) 是光刻过程中的关键工序，必须在高精度的光 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 i e s m n f l i f i p f li i i l j m i n a t i o n e 圊 c o n v e n t i o n a io u a d l ep o l e a n n u l a r p h a s es h i f t i n g m a s k p h a s e 川 0 丌0 叮t 0 a l t e r n a t e a t t e n u a t e d p u p i lf i l t e r i n g p u p i i t f u n c t i o n 血。 p h a s ed i s t r i b u t i o n m u l t i p l ee x p o s u r e m u l t i p l em a s k f l e o t h e r s 盟 l i g h ts o u r c e e f f e c t i v e s o u r c e m a s k p r o j e c t i o nl e n s a p e r t u r e ( p u p i l ) t h j s u n r e s r f a c i n gi m m a g m gl w a f e rs t a g e 图1 3 光刻机曝光示意图嗍 刻机上完成，目前使用的光刻机的单价在千万美元以上，例如线条分辨率都能达 到3 2 纳米的尼康n s r - s 6 2 0 d 1 1 6 和阿斯麦n x t ：1 9 5 0 i 17 1 。光刻胶在接受光照后其化学 物理性质会发生变化。一个简单的光刻机曝光示意图如图1 3 所示。 4 浙江大学硕士学位论文1绪论 5 曝光后烘烤 曝光后烘烤( p o s t - e x p o s u r eb a k e ) 来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 gw a v ee f f e c t ) 。 6 显影 显影( d e v e l o p m e n t ) 是利用化学试剂溶解预定图形区域的光刻胶。又可以细分为预喷 淋( p r ew e t ) 、显影喷淋( d e v e l o p e rd i s p e n s e ) 、显影液表面停留( p u d d l e ) 、显影液取出 并冲洗( r i n s e ) 、甩干( s p i nd r y ) 这样5 个步骤。在业界，若是通常使用的正胶，显影 由2 3 8 的t m a h4 ( t e t r am e t h y la m m o n i u mh y d r o x i d e ) 溶液( 强碱) 来完成。 7 后烘烤 后烘烤( h a r db 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，进 一步增加附着力。 8 处理 对显影区域的基底进行处理，主要包括蚀亥 ( e t c h i n g ) ，淀积( d e p o s i t i o n ) 和离子注 ) x ( i o ni m p l a n t a t i o n ) 等方式。蚀刻使用化学药物或者可反应气体刻蚀未被光刻胶保护 的部分，在基底上刻出图形，基底可能是s i 0 2 、s i 3 n 4 、多晶硅、硅化物以及铝铜 等金属。淀积在基底上淀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，经常在快速热退火后( r a p i dt h e r m a lp r o c e s s ) 实现所要求的杂质分 布。 9 去胶 去胶( r e s i s ts 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。 1 3 光学邻近效应 光刻成像系统的理论分辨率一般通过瑞利r a y l e i g h 方程确定【1 8 】： 兄= 后。高 ( 1 1 ) h 汕c 一芒巩时。 n a = n s i ne 5 ( 1 2 ) 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 其中，分辨率尺定义为栅格图形最小间隔周期的一半( h a l f p i t c h ) ，入为光源波长，n a 为 光刻系统的数值孔径，而k 1 为与工艺相关的常数。公式1 1 表明分辨率尺与光源波长是成正 比的。当掩模版图形尺寸远大于光源波长，亦即远大于分辨率尺时，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，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，以4 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三分之一。 另外，数值孔径n a 代表了透镜的光学倍率，n a 越大，透镜就能获得更多的角频 谱( a n g u l a rs p e c t r u m ) ，因而分辨率越高。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( d e f o c u s ) ，离焦一般会导致畸变的进一步加剧。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 h o f f o c u s ，d o f ) 。焦深可以通过下面的公式计算： d o f = 也古丢 ( 1 3 ) v 。 可见d o f 与光源波长成正比，但却与n a 的平方成反比。故若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，两者存在折衷。 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 t i c a lp r o x i m i t ye f f e c t s ，o p e ) - - 在光刻过程中出现的诸如线端缩进、拐角圆化、特 征线宽不一致以及纹波等的现象。尽管这些效应不全都是光学的，其他很多因素( 比如显 影和后烘烤) 都会或多或少产生一定影响，然而其主要的产生原因还是来源于光学现象。 其原因有：光学邻近效应是由于镜头的有限孔径，使得一部分空间频率信息被漏掉 了。由于镜头的信息收集能力对不同的空间频率是不一样的，对同样宽度的线条，在不同 的空间周期，呈现出硅片上的线宽不一样，如图1 4 所示。 禁止空间周期( f o r b i d d e np i t c h ) - - 一般是指在半密集的空间周期，线宽以及工艺窗口 会变得很小，影响整个工艺，如图1 4 所示。禁止周期的出现是由于镜头衍射光级数的交替 造成的。在设计上最好能够回避这一段空间周期，以缩短从设计到硅片验证的时间。 1 4 分辨率增强技术 通常在k 1 因子小于0 4 时，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 t t e c h n i q u e s ，r e t ) 会 6 浙江大学硕士学位论文1绪论 e c a o 稠 铽 1 5 0 1 4 0 1 3 0 1 2 0 11 0 1 0 0 3 0 05 0 07 0 09 0 011 0 01 3 0 01 5 0 01 7 0 0 空间周期p i t c h ( n m ) 图1 4 一根1 3 0 纳米的线条在不同的空间周期在硅片上的线宽测量值 被用来改善工艺窗口。在6 5 纳米节点或以下，通常都会联合采用多种分辨率增强技术 以提高分辨率，并改善工艺窗口。鉴于当前复杂的修正算法和工艺步骤，许多e d a 软件 之d f m _ t - - 具【1 9 _ 2 2 1 和t c a d _ t - 具【2 3 - 2 5 1 应运而生。 1 4 1掩模和光源等工艺手段 1 移相掩模 移相掩模( p h a s es h i f t e dm a s k ，p s m ) 通过改变光刻过程中透射光场的相位分布来改善 光强对比度，进而补偿光学衍射和工艺的非线性所引起的失真。 如图1 5 所示，主要分为以下两种： ( a ) 交替式移相掩模( a l t e r n a t i n gp s m ，a l t p s m ) 通过相邻的投射光的位相相差1 8 0 度来实现理论上1 0 0 对比度 2 6 1 。 ( b ) 削弱式移相掩模( a t t e n u a t e dp s m ，a t t p s m ) 削弱式移相掩模通过在不透光的位置增加一部分透光，并且将相位转1 8 0 度，来 抵消衍射效果【”1 。 2 离轴照明 浙江大学硕士学位论文1绪论 槲 杂 卿 基 1 皿 蜊 慧 蠼 守 慧 米 芒 1 县 一八、一 ，厂义。 一、v 么，。一，人7 一一夕v 乓塞蝗蛾av l 一 二值掩模交替式移相掩模削弱式移相掩模 图1 5 使用普通二值掩模、交替式移相掩模、削弱式移相掩模时，双线图形的成像情形【1 4 】 离轴照明技术( o f f - a x i si l l u m i n a t i o n ，o a i ) 并0 用附加的离轴入射光，使得掩模板上的 图样能够更清晰地传递到硅片上，除了能增大n a ，也能更好地提高焦深，如图1 6 所 示，即为几种典型的离轴照明光源图样。 3 其他方法 光源掩膜优化( s o u r c e m a s k o p t i m i z a t i o n ，s m o ) 1 3 0 1 ，能增加光刻分辨率，是通过 定制特殊的离轴照明光源来改善工艺条件的。如图1 7 ，即为对2 2 纳米节点的通 孔( v i a ) 掩模形状而特殊定制的光源优化f 2 8 1 。 1 4 2 光学邻近校正 光学邻近校正【3 1 埘j 是通过边偏移的方式来对版图进行校正。光学邻近校正主要的方 法有基于规则的光学邻近校正以及基于模型的光学邻近校正。 1 基于规则的光学邻近校正 基于规则的光学邻近校j e ( r u l e b a s e do p c ) 是从设计规则检查( d e s i g nr u l ec h e c k ， 8 浙江大学硕士学位论文1绪论 o ( a ) 传统照明 ( b ) 环形照明( c ) 单极照明( d ) 四极照明 ， y ，? ( e ) 二极照明( f ) a s m l 二极照明( g ) a s m l 四极照明( h ) 交叉四极照明 图1 6 不同形状的离轴照明光源( 黑色为透光区) 【勰1 图1 7 用于v i a 光刻的优化后的光源形状【冽 d r c ) 的设计后端验证环节上发展得来的。基于规则的光学邻近校正的一个例子如 图1 8 所示，对于线端的校正是利用对周围图样进行比对间距s 和线端宽度w 后，在线 端校正规则的查找表上( l o o k u pt a b l e ，l u t ) 找到对应的校正方法再进行校正的。 基于规则的光学邻近校会需要大量的经验数据来建立规则库，且一些复杂图形区域 往往得不到有效的校正方案一有限的规则难以覆盖所有的情况，因此在1 3 # m 及以 下工艺技术节点更多使用的是基于模型的光学邻近校正。 2 基于模型的光学邻近校正 如图1 9 所示，基于模型的光学邻近校正主要分为初始化、层级处理、小块版图切分 处理及校正、拼合小块版图、最后输出。其中最为关键的是小块版图的切分和校正 9 浙江大学硕士学位论文 i 绪论 w s 9 0 h m9 0 n m f u 7 9 0 n t o9 5 n m 丌 l9 0 佗m1 8 0 佗m 1f 图i 8 基于规则的光学邻近校正示意图【1 4 l 过程。 如图1 1 0 ，示意了对一个多边形实施修正的过程，( a ) 为原始版图；( b ) 为边切分之后 各边以及评估点的分布( “”为各线段的端点，“”为光强采样点) ；( c ) 显示了各边 偏移量的计算过程；( d ) 得到最终的修正结果。 边偏移量计算( e d g eb i a sc a l c u l a t i o n ，e b ) 步骤遍历所有片段，为各片段求解一个合 适的偏移量达到抵消该处e p e 的目的，即求解e p e 值为o 时的e b 值。图1 1 0 虚线框中 标记了e p e 值与e b 值的意义，并给出了e p e 值求解过程的示意。e b 值与e p e 值之间 的函数关系是由光刻模型以及评估点周围的图形共同确定的，这种函数关系是非线 性的且各评估点并无一致的函数形式，因此无法显式地求解，一般可以使用牛顿法 之类的迭代算法来得到近似的结果。由于在一个片段的所需的e b 值会受到相邻其它 片段的修正结果的影响，因此所求各边的e b 值并非精确。此后必须使用前次计算结 果作为环境调整各边偏移量，重复迭代若干次，直至达到所需精度或迭代上限【1 4 1 。 基于模型的光学邻近校正速度上虽然没有基于规则的光学邻近校正来得快，但是其 可以对各个不同形状和环境的图形进行校正，本例中