集成电路制造过程中光刻系统仿真的多边形处理算法研究.doc

论文作逝江太堂竺 红里呈堪答 辩 委 员 会 主 席：逝江太堂副 塾 援答 辩 日 期 ： 浙江大学 研 究 生学 位论文独 创 性 声明表 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 。月学 位论文版权使 用 授 权书 艿 难宦 畚脑诮 饷 芎 笫视帽 臼谌月 ， 第 滦 髀邸 浙江大学 硕 士 学 位论文光 学 邻 近 校 正 诠嬖 虻 腛 谀 偷 腛 本 章 小结 图 目录 浙江大学 硕 士 学 位论文 ，中 规 模集 成，极 大规 模集 成琔 究 其 缘由，集 成电路产业 能 如此 快 速发展 ，主 要 归 功于集 成电路制 造技 术 的集 成电路的 密集 程度 随 着摩 尔 定 律 稳 步 提升 ，而 与 此 同时 ，晶体 管 尺 寸 也在 浙江大学 硕 士 学 位论文膏 附 ；赶卷掩多 图 集 成电路设 计 流 程从 现 阶 段 集 成电路所 处 环 境 来 看 ，纵 观 整 体 设 计 流 程，位于后 端 的 版图 设 计 咛崛 錾 杓瓢 嫱随后 将其 交付 生产厂商 完成制 造环 节 。由此 可 见，版图 的 验 证工 作 尤 为 重要，是保 证集 成电路可 制 造性 的 重要因 素 ，而验 证规 则 一 般是由生产厂商 提出。 浙江大学 硕 士 学 位论文。盎鑫“。 ” 。 ，丝椤 蝚 。 瑊 、 浙江大学 硕 士 学 位论文图 纳 米级 光 刻矢 真图胫 嵴彰 骷 际琌 浙江大学 硕 士 学 位论文弧：海 海 骸 璮 浙江大学 硕 士 学 位论文憾图 修正 后 版图 与 仿真结果 浙江大学 硕 士 学 位论文通 过相邻 区 域 透 射 度 有 嘁 评 词迪 对 比 度 。射 现 象 。 一；，、图 离 轴照 明 原 理示 意 图图 常 见离 轴照 明 光 源谏M腹馇 浙江大学 硕 士 学 位论文图 浜侠 胫 嵴彰 鞯 母 夹渭 际其 中 ，宽度 为 氖 歉 及 系统 偏差 两种 。 其 中 ，随 机 缺 陷 主 要 包 含 灰尘 在硅材 料表 面的 随 机 吸附 导 致集 浙江大学 硕 士 学 位论文本 章 小结 晶圆图 清 晰地为 我 们描 述 了 集 成电路制 造的 各个 环 节 ，以单晶硅的 表 面处 理 浙江大学 硕 士 学 位论文经过光 照 后 ，胶 中 产生了 光 化学 反应 ，其 结构 也发生了 较大变 化，所 以光 刻胶 的宏 观性 能 也出现 了 明 显变 化。光 刻胶 必须 具备 有 几 大特 性 ： 感光 性 ，要 能 在光 刻环 节 接 受 在掩模上 曝光 的 图 形。 因 为 感光 胶 在某溶 液 中 有 溶 解 特 性 ，所 以人们利 用 这 种 特 性 在晶圆 上涂 抹 一 层薄胶 ，令 其 某个 区 域 感光 。 经显影后 ，即 可 在涂 有 感光 胶 的 晶圆 上 获 得掩模图 形；粘 附 性 ，这 个 特 性 使 得光 刻胶 与 晶圆 表 面的 待刻层能 够 紧 紧 地粘合在一 起 ，便 于将电路版图 转 换到 晶圆 上 ；均 匀性 ，光 刻胶 必须 要均 匀地分布 在晶圆 表 面，以此 确保 在感光 胶 上 能 够 清 晰地对 电路版图 进行 显影，与 此 同时 ，还 要覆盖 到 晶圆 的 整 个 表 面，用 来 保 护 没有 电路版图 的 区 域 ；较轻 薄，若 光刻胶 太厚 的 话 ，会 影响曝 光 、显影等 随 后 生产环 节 的 开展 ，理想 的 光 刻胶 厚 度 为 的 范 围 内 。 浙江大学 硕 士 学 位论文图 将光 刻胶 涂 于晶圆 表 面集 成电路生产过程的 核 心成分为 光 刻过程，光 刻成像 的 原 理就是通 过光 刻机系统 里 的 光 学 照 明 系统 将掩模板 上 的 版图 图 形转 换到 早 已涂 满 光 刻胶 的 晶圆 上 。此 环 节 的 理论依 据 是应 用 了 光 刻胶 感光 性 的 特 性 ，当 光 强的 强弱程度 发生变 化时 ，在光 刻胶 上 会 产生比 较显著 的 分割 线 ，可 将掩模上 的 图 形在曝 光 后 继 承 下来 ，即可 实 现 版图 图 形从 掩模板 到 晶圆 表 面的 转 移 工 作 。 光 刻机 的 主 要成像 机 理如图 所示 。 浙江大学 硕 士 学 位论文后 ，可 能 会 应 用 极 紫外 光 光 强图 光 刻机 系统 示 意 图在将集 成电路版图 从 掩模板 转 移 到 晶圆 表 面的 工 作 中 ，平面光 源由于光 学 性质 统 一 ，所 以可 作 为 用 来 成像 的 光 源。 一 般而 言 ，光 刻机 的 成像 光 源通 常 是系统光 源加 上 一 个 凸 透 镜来 构 成，这 样 的 组 合巧 妙 地利 用 了 点光 源若 在凸 透 镜焦 点上 ，则 其 发出的 光 线 经透 镜后 变 为 平行 光 出射 这 一 性 质 ，以此 即 可 获 得符 合光 刻要 求的 平面光 源。 除 了 调 整 光 源本 身 的 物 理特 性 能 够 改善 集 成电路版图 在晶圆 表 面的成像 质 量之 外 ，更改光 源的 形状也能 达 到 同等 的 效 果 。 我 们可 以在成像 光 源与 聚光 透 镜组 之 间添 加 一 个 指定 图 形来 作 为 光 刻系统 光 源的 波前过滤 器。 因 为 用 来 光刻的 光 源拥 有 部 分相干 特 性 ，在此 情 形下，添 加 一 个 圆 形孔 径就等 效 为 添 加 一 个低 通 滤 波器，聚光 透 镜的 数 值 孔 径决 定 了 低 通 滤 波器的 截 止 频 率 。 若 所 添 加 浙江大学 硕 士 学 位论文图 典 型光 刻工 艺 过程概 览光 刻过程会 因 为 基底 的 不 平整 受 到 较大程度 上 的 影响，所 以要 先 通 过化学 机等 方 法 把 基底 打磨 平滑 。 我 们阶 段 ，随 后 在基底 表 面均 匀的 方 法 将光 刻胶 里 的 溶 剂 完全 挥 发掉 ，这 样 胶 层就变 为 了 固 态 薄膜 。曝 光 的 示 意图 【 】。 浙江大学 硕 士 学 位论文 浙江大学 硕 士 学 位论文射 入 到 基底 当 中 ，一 般在实 施 快 速热 退火 现 所要求的 杂质 分布 。蚀刻过程 图 干 法 蚀刻工 艺 示 意 图力 涫 纯 趟 俣瘸 浙江大学 硕 士 学 位论文金属 、光 刻胶 和在各种 蚀刻气体 中 的 腐蚀率在生产集 成电路的 整 个 流 程里 ，制 造成品率 这 一 指标 尤 为 重要 ，它 是决 定 集成电路能 否交付 客户 的 主 要衡 量标 准。 在以为 单位的 数 据 量中 ，哪 怕 只 有 一个 细 微 的 错 误 ，都 会 使 所 制 造的 集 成电路报废 ，所 以要 求掩模上 图 案 的 准确度 非常 高才行 。 一 般而 言 ，与 晶圆 上 的 实 际图 形相比 ，掩模尺 寸 是其 的 倍，但 这并 不 妨 碍 制 造掩模上 图 形控制 其 偏移 容差 ，因 为 它 的 容差 并 不 是晶圆 上 图 形容差 本 章 小结 浙江大学 硕 士 学 位论文当 入 射 光 通 过掩模板 的 缝 隙 ，会 出现 光 学 中 的 衍 射 行 为 ，所 以 图 经过透 镜组 后 成像 的 光 强分布 示 意图熹警工 艺 向前推 进，光 刻所 用 光 源的 波长 与 版图 的 特 征 尺 寸 两者间的 差 异变 得越来 越 波长 降低 到 紫外 光 区 域 以下时 ，即 变 为 湎甇，此 时 包 括 上 面公式在内 的 绝 大多 数 光 学 公 式、定 理已不 再 有 效 。萄 觅巍。；图 电磁 波频 谱 分布 图，具体 如图 所 示 。 浙江大学 硕 士 学 位论文焦 深 可 由公 式 计 算 得出：志 浙江大学 硕 士 学 位论文表 集 成电路制 造中 的 变 化示 意图利用 光 刻工 艺 在晶圆 表 面刻蚀图 案 的 流 程里 ，精 确控制 图 形的 特 征 尺 寸 显得尤 为 重要 。 因 为 集 成电路如果 能 够 有 精 准的 特 征 尺 寸 ，则 充 分说明 了 设 计 图形与 蚀刻得到 的 图 形二 者差 异很小，这 对 集 成电路达 到 所 要 求的 电学 特 性 以及 提高成品率 很有 帮 助 。 所以，最 具代表 性 的 光 学 邻 近 效 应 就是与 特 征 尺 寸紧 密相关的 线 宽非 一 致性 与 线 宽的 非 线 性 。 蠲 黼 矮 鼹图 节 距线 图 形示 意 图圉略 浙江大学 硕 士 学 位论文当 线 宽还 比 较大的 时 候，掩模板 上 的 图 形线 宽成像 图 形的 线 宽还 呈 线 性 关系；但 是当 线 宽越来 越小的 时候，其 非 线 性 畸 变 的 现 象 变 得越来 越突 出。 并且如果 线 宽小到 某一 程度 时 ，会 由于非 线 性 畸 变 的 缘故 不 能 得到 光 刻成像 的 图 形。具体 如图 所 示 ，虚线 为 理想 状态 下的 线 性 关系，而 实 线 则 为 实 际仿真得到 的结果 【 】。 图 线 宽非 线 性 畸 变 的 仿真结果为 弥 补因 为 光 学 邻 近 效 应 所 导 致的 线 宽变 化，最 简 单也是最 行 之 有 效 的 校 正方 法 就是对 掩模板 图 形上 所 对 应 的 线 宽进行 微 调 ，以此 使 晶圆 表 面获 得理想 的 成像 线 宽。 如果 成像 线 宽大于掩模线 宽时 ，则 相应 地缩 小掩模线 宽，反之 亦 然 。 这种 用 来 改善 光 学 邻 近 效 应 ，而 对 掩模上 图 案 进行 修改的 方 法 ，就是所 谓 的 光 学 邻近 校正 。 图 拐 角 圆 化示 意 图的 目的 。 的 位置 。 图 胪 分别 展示 了 这 两种 极 端 情况。 图 诠嬖 虻 腛 算 法 示 意 图 因 为 基于规 则 的 惴旧淼 木窒 扌 裕趏 图 谀 偷 腛 算 法 流 程图边 切 分的 主 要步 骤 是把 原 始版图 中 多 边 形图 形的 边 划 分为 浙江大学 硕 士 学 位论文即 成像 图 形与 目标 图 形之 间的 误 差 ，以此 作 为 该 片的 选取合适与 否会 对 校正 精度 和校 正 后 版图 的 数 据 量造 成很大影响。 过程为 遍历 全 部 的 片段 ，为 各片这 个 函 数 关系是非 线 性 的 ，而 且 各个 评 估 点没有 固 定 的 函 数 形式，所 以不 能 显式地求解 ，在实 际应 用 中 一 般采 用 牛顿迭 代法 获 得近 似 解 。 由于相邻 其 它 片 段 的 校正 结果 会 影响此 片 段 所 需 的 值 ，所 以各边 的 值 只 是趋 近 而 非 准确值 。 在随 后 的 计 算 过程里 必须 利用 上 次 计 算 得到 的 结果 来 用 作 环 境 调 整 各边 的 偏移 量，以此 循 环 迭 代至 所 要 求的 精 度 或 达 到 迭 代上 限 为 止 。 从 而 可 以看 出，基于模型的本 章 首 先 介 绍了 分辨率 与 焦 深 的 概 念 ，说明 在实 际应 用 中 不 可 能 得到 理想 的 图 光 刻系统 示 意 图光 刻机 系统 的 输入 输出分别 为 ：从 目前集 成电路制 造所 使 用 的 光 刻系统 来 说，光 刻成像 其 实 就是部 分相干 光 图 部 分相干 光 成像 示 意 图首先 ，照 明 系统 由部 分相干 光 源与 会 聚透 镜组 图 表 示 了 光 学 成像 系统 的 输入 输出图 。 浙江大学 硕 士 学 位论文图 光 学 成像 系统 流 程图可 对 不 同的 掩模重复使 用 。 其 具体 表 达 式为 ： 其 中 ，公 式 像 系统 的 频 率 响应 函 数 含 有 鲈 玻 谄 涤 蛏 掀湓 残姆 直鹞，以及 ”， 弋 ：瑀 。、； 图 囟 庋 问 碌 腡 矩阵 浙江大学 硕 士 学 位论文图 囟 庋 问 碌 腡 矩阵俯 视图 竦 阄 。 第 一 幅 浙江大学 硕 士 学 位论文 本 章 小结在际跤 昧煊蚝 虳设 计 中 ，精 准并 且 高效 的 光 学 系统 仿真算 法 占据 着重 要 的 地位。 本 章 首 先 介 绍了 光 刻机 系统 的 组 成部 分，随 后 给 出了 基于部 分相干 成像 理论的 光 学 成像 理论以及 建模方 案 ，和基于卷 积 核 的 快 速点光 强算 法 。基于以上 理论基础 ，本 章 详细 介 绍了 一 种 自主 设 计 并 实 现 的 光 刻仿真系统 。 在此系统 中 ，设 定 好光 学 参 数 ，将版图 图 形送 进来 ，即 可 输出仿真后 的 版图 图 形的 光 浙江大学 硕 士 学 位论文 图 光 学 成像 仿真流 程