（电路与系统专业论文）超深亚微米集成电路可制造性验证与设计技术研究.pdf

羔壁曼茎! 型堕兰堡堡兰 垫茎 摘要 当集成电路生产工艺发展到纳米级时，利用现有的曝光设备( 2 4 8 n m 和1 9 3 n m ) ， 由于所谓的光学邻近效应，集成电路制造厂商已经无法制造出满足电路功能要求的 产品。在波长更小的光刻系统出现前，为了能利用现有设备解决集成电路的可制造 性问题，工业界提出了对掩模作预失真( 光学邻近校正) 和在掩模上加相位转移模 ( 移相掩模) 等的掩模校正方法。这些校正方法的基本目的都是为了在已有的生产 工艺设备基础上制造出更小的特征尺寸，以使硅片上得到的图形和设计的版图相一 致。 然而，由于在当前的集成电路设计流中，在设计出的版图送到制造厂商前，电路 的设计者并没有考虑版图对光学邻近校正和交替移相掩模的友好性问题，这使得版 图中的一些图形由于周围条件的限制，如无法充分进行光学邻近校正，无法进行交 替移相掩模的处理等，从而使得版图设计即使进行了校正处理，还存在大量光刻故 障的可能性。因此，为了提高成品率，对版图的可制造性验证就是非常必要的工作。 由于光学邻近校正和交替移相掩模已经成为最主要的掩模校正方法，因此本文主 要针对这两种方法进行可制造性的验证和设计。本文主要包括两部分，第一部分主 要介绍了光学邻近校正的原理，光刻模拟算法和光学邻近校正的实现，并且基于软 件n a n o s c o p e 对一些进行过光学邻近校正处理的设计进行可制造性检查，并对结果 进行总结。第二部分针对由传统方法设计出的版图不能满足交替移相掩模要求的问 题，介绍了一种基于标准单元的交替移相掩模可制造性验证与设计的算法，包括针 对暗场和亮场两种不同环境版图的算法。用这种方法对版图进行检查，可以找到标 准单元版图中不满足交替移相掩模要求的版图图形，并给出修改的建议，使得修改 后的版图满足交替移相掩模的可制造性的要求。 关键字：可制造性验证分辨率提高技术光学邻近校正 交替移相掩模分辨率 提高技术 塑型堕竺丝坚 塑蔓 a b s t r a c t a st h ei cm a n u f h c t u r i n g p r o c e s sd e v e l o p sf r o ms u b - m i c r o nt ov e r yd e e ps u b m i c r o n ( v d s m ) t e c h n o l o g i e s ，w i t hc u r r e n tl i t h o g r a p h yt o o l s ( 2 4 8 n ma n d19 3 n m ) ，f o u n d r i e sc a nn o t m a n u f a c t u r ep r o d u c t st h a td e s i g n sw a n tb e c a u s eo fs o - c a l l e do p t i c a lp r o x i m i t y e f f e c t ( o p e ) b e f o r em o r ea d v a n c e d l i t h o g r a p h yt o o l i s p r o d u c e d ，i no r d e rt o u s ec u r r e n tt o o l st o m a n u f a c t u r ev d s m i c ，r e t i c l ec o r r e c t i o nm e t h o d ss u c ha sp e r t u r b i n gt h es h a p e ( v i a 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 ) ) o rt h ep h a s e ( v i ap h a s e s h i f t i n gm a s k s ( p s m ) ) o f t r a n s m i t t i n g a p e r t u r e i nt h er e t i c l ea r ep r o p o s e db yt h ei n d u s t r y t h eb a s i cp u r p o s eo ft h e s ec o r r e c t i o n m e t h o d si st om a n u f a c t u r es m a l l e rc d s u s i n ge x i s t i n ge q u i p m e n t sa n dt op r e s e r v ef u n c t i o n a l c o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n t h ed e s i g n e dc i r c u i ta n dt h em a n u f a c t u r e dc i r c u i t h o w e v e r ，i nc u r r e n td e s i g nf l o w , d e s i g n e r sd on o tc o n s i d e rw h e t h e rd e s i g n sa r ef r i e n d l y t oo p cb e f o r e t h e ya r es e n tt of o u n d r i e s i nf a c t ，al o to f f e a t u r e si ns u c hd e s i g n sc a nn o tb e c o r r e c t e de n o u g hb e c a u s eo f m a n y f a c t o r ss u c ha st h ec o n s t r a i n t so fe n v i r o n m e n t s s oe v e n t h o u g h s u c h d e s i g n s a r e c o r r e c t e d ，m a n yl i t h o g r a p h i c e r r o r ss t i l le x i s t s oi nv d s m s e m i c o n d u c t o rd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，t h ee s t i m a t i o na n dv e r i f i c a t i o na f t e ro p ca r e n e c e s s a r y t h ep a p e ri sf o rv e r i f i c a t i o na n dd e s i g no fm a n u f a c t u r a b i l i t yo fo p ca n dp s ma st h e s e t w ow a y sh a v eb e c o m et h em o s ti m p o r c a n tc o r r e c t i o nw a y s t h e r ea r et w o p a r t si nt h ep a p e r ， t h ef i r s ti sa b o u tt h e p r i n c i p l e s o f o p c ，l i t h o g r a p h y s i m u l a t i o n n g o f i t h m s ，o p c i m p l e m e n t a t i o na n db a s e do nn a n o s c o p e ，av e r i f i c a t i o nt o o l ，s o m ev e r i f i c a t i o nt oc o r r e c t e d d e s i g n s a r e i m p l e m e n t e d t h e s e c o n di sa b o u tv e r i f i c a t i o n o f a l t e r n a t i n g p s m m a n u f a c t u r a b i l i t ya n dt h i sp a r ti n t r o d u c e san e w m e t h o db a s e do ns t a n d a r dc e l l st or e s o l v e t h e p h a s ec o n f l i c t s ，i n c l u d i n g f o rd a r kf i e l da n df o rc l e a rf i e l d t h em e t h o dh a st h e c a p a b i l i t i e so fv e r i f y i n gs t a n d a r dc e l ll a y o u t ，l o c a t i n gf e a t u r e sw i t hp h a s e c o n f l i c t sa n d g i v i n g o u ts u g g e s t i o nf o rm o d i f i c a t i o n k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r a b i l i t yv e r i f i c a t i o n ；o 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 t e r n a t i n g p s m r e s o l u t i o ne n h a n c e dt e c h n o l o g y 浙江大学硕= 学位论文 第一章绪论 1 1 集成电路设计与制造技术的发展 1 1 1 集成电路发展概况 信息产业是2 1 世纪世界经济的主导产业和支柱产业。微电子产业是信息产业的基 础，它影响面广，后续产业链长，具有极为重要的战略地位。更有学者把半导体工业总 产值与国民生产总值之比达0 5 作为人类进入信息化社会的标志。由此可见微电子产 业的发展水平已成为衡量一个国家综合国力的重要标志之一，集成电路产业也成为当今 世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业。 从1 9 8 5 产生第一个晶体管开始，集成电路技术直以极其高的速度在发展。i n t e l 公司的创始人之一摩尔( m o o r e ) 预言，i c 的集成度( 每个微电子芯片上集成的器件数) ， 每隔2 年左右的时间就翻一番。同样，由集成电路发展的历史来看，它的制作工艺中的 特征线宽，则相对应的每过一代缩小3 0 。过去的几十年以来，集成电路的发展几乎 完全按照摩尔定理，根据乐观的估计，这样的发展的势头还要维持1 0 到2 0 年 1 。以 最为常见的个人计算机的微处理器为例，i n t e l 公司生产的3 2 位微处理器p e n t i u m l v ， 其芯片内集成的晶体管数目已经达到4 0 0 0 万以上。目前商业化半导体芯片制造技术的 主流已经达到0 1 8 p , m 的线宽，预计今后将很快发展到0 1 3j _ u n 甚至0 1 u m 以下。从表 卜1 中我们可以清楚看到随着制造工艺不断提高，线宽迅速减小，芯片上集成的晶体管 的数目不断增加，芯片面积不断增大。 年份 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 硅片陋积3 0 03 0 0 3 0 03 0 03 0 03 0 03 0 0 光刻尺寸( n m ) 9 07 56 55 34 54 03 5 最终尺寸( n m ) 6 55 34 53 73 22 82 5 晶体管数( g ) 6 98 71 1 01 3 81 7 42 1 92 7 6 电源电压( v ) j j，口i ，0，口9o ? 9口， 时钟频率( m h z )j 6 8 4 2 3 1 7丑0 8 8z9 9 05 1 7 3五6 3 1e7 3 9 表卜1c m o s 工艺发展趋势( i t r s 2 0 0 1 ) 1 1 2 集成电路设计技术的发展 集成电路的快速发展离不开集成电路设计技术的支持。经过几十年的不断发展，目 第一章绪论 前超大规模集成电路的设计流程大致如图卜l 中集成电路设计部分所示。 在目前集成电路所处的阶段看来，在整个设计过程中，版图设计( 或称为物理设计 p h y sl c a ld e s i g n ) 是至关重要的一环。因为电路版图是集成电路设计者和集成电路生 产厂家两者的唯一联系方式。一般来说集成电路行业的分工是，设计者完成从系统规范 说明到用自动化的设计工具提取出电路版图，而生产厂家完成余下的集成电路制造过 程。生产厂家只是按照设计者的电路版图来制造电路，他们的目标是生产的电路完全符 合设计者提供的电路版图。集成电路设计者也不用关心具体的生产过程。随着集成电路 的不断发展，集成电路的集成度不断提高，特征线宽不断缩小，对电路版图精细度的要 求越来越高。因此，在版图设计完成后的版图验证也日益显得重要。版图验证就是要保 证集成电路设计者所设计的电路版图的可生产性，验证的规则一般是由生产厂家向设计 者提供的。 随着集成电路朝着超深亚微米方向发展，集成电路设计对自动化工具和计算机辅助 设计技术工具的依赖性也不断加大。和目前集成电路的制造工艺水平相比较，现在的设 计技术落后大约两代的发展水平。因此，设计技术很可能成为制约集成电路技术进一步 发展的瓶颈。 1 1 3 集成电路的制造工艺及其发展 从集成电路的设计到掩模版的制造，最后到芯片的生产，图1 - 1 描述了这一集成电 路芯片设计生产的传统流程。每一过程欠包含了若干处理步骤，各处理过程与处理步骤 之间相互约束，相互配合，保证了芯片设计生产的顺利完成。 精密复杂的芯片制造过程保证了集成电路芯片的高性能与高成品率。一般来说，芯 片的制造过程主要包括：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，它是将光复印图像与材料的腐蚀相结合的一种表面精细加工技术，主要包括 氧化、涂胶、曝光，显影、腐蚀和去胶等等步骤。光刻过程的任务是实现掩模版上的图 形到硅表面各层材料上的转移。 2 】 在芯片制造工艺流程中，产品的质量由大量的工艺过程参数所控制，例如：掺杂浓 度、沟道长度、衬底形状和寄生效应、以及层与层之间的绝缘层厚度等等。要获得一个 合理的设计结果，在设计过程中必须考虑这些工艺过程参数，同时在制造过程中必须控 制这些工艺参数的稳定性并和设计过程保持一致。但是由于问题规模的扩大，尤其是电 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，因此制造工 浙江人学0 ； 士学位论文 第一章绪论 集成电路设计 掩膜版制造 硅片生产 图1 1 芯片设计生产流程 艺的特点将越来越大的影响物理设计阶段所采用的设计方法。目前，已经有许多物理设 计方法在版图设计时考虑了一些制造工艺因素，如：系统误差、照相投影中的随机效应、 随机的点缺陷和掺杂离子效应等。 当前集成电路有两个发展方向，一是依靠加工特征线宽的不断缩小使集成密度和速 浙江大学顺 。学位论文 第一帚绪论 度不断提高，功耗不断降低，以制作出功能更强、性能更好、用途更广的i c 芯片：二 是朝系统芯片( s o c - - s y s t e mo nc h i p ) 的方向发展 3 ，即单一芯片的功能日趋强大。 但是不管集成电路的发展方向如何，它都离不开集成电路工艺的发展。根据按比例缩小 原理( s c a l i n gd o w np r i n c i p l e ) ，特征线宽越窄，在电路器件的面积减小的同时它消耗 的功率也随着降低，整个i c 电路芯片的工作速度也相应越来越快。因此，集成电路工 艺都以特征线宽作为其发展的标志。现在集成电路的生产工艺已经可达到0 1 0 微米的 水平，并且有进一步缩小的趋势。 采用光刻机对载有集成电路版图的掩模进行光刻是目前集成电路制造工艺的主要 手段，光刻过程的任务是实现掩模版上的图形到硅表面各层电路材料上的转移 4 。图 卜2 是集成电路生产过程中，光刻工艺过程所用的光源与制造的特征尺寸之间的关系及 发展趋势。 o 图i - 2 关键尺寸和光刻光源坡长 随着集成电路技术的不断进步，半导体制造工艺面临着越来越艰巨的挑战。对芯片 制造流程和代价的考虑将越来越大的影响到v l s i 的设计流程，尤其是对物理设计产生 极大的影响，传统的芯片设计生产流程不断地被补充与改进。现在的物理设计不仅要继 承上层功能、逻辑和电路设计所输出的结果，而且要综合考虑在制造阶段面临的工艺条 件的约束，我们称之为可制造性版图设计，在整个设计流程中这种物理设计方法所占的 比重将迅速增长5 】。 浙江大学颁士学位论文 第一辛绪论 l 。2 超深泛微米集成奄翳的可翻造缝淹题 1 。2 1 超深亚微米光刻工艺中的光学特性 图1 - 3 是光刻系统的示意豳，从中可以清楚着出，光刻过程实际上是光源投射的光 线透过掩横版在硅片上成像的过程。在影响芯片制造过程的工艺参数中，光刻系统的光 学特牲燕霉重要夔t | 曩狴，英审光滚粒投性、投影毙筑党渡波长黧投影光靛穗予度等等 都是关键的光学参数。因诧，辩要准确选择、严褥控制光刻系统鲍各壤参数，隘傈证芯 片的陛能与成品率。 图1 3 光刻机系统示意图 投影光透过掩摸蚕形蜃传播到硅片上，掩摸翳形澍光波来说，鞠巍予传搔路线上的 障褥，觚霹在硅片上褥弱每撼模圈形裙关蘸竞翔灏形。裰疆蠢滚褥瓣秘予涉兹纛莲，光 波通过掩模版时将发生衍射，掩模版不同位置之阍的光波还要发生干涉，因此实际投射 到硅片上的光强分布是这贱衍射光波的迭加效果，它与掩模图形并不魁完全相同的。 根掇光波衍射原理，当障褥的尺寸远大于光波波长时，由衍射产嫩的图形偏差可以 惫路不谤。氇裁是浚，警楚模敝嚣澎尺寸( 囊裁魄鼹豹特锺足寸) 远大子是蘩漫长霹， 硅片上光刻图形与掩模版圈形基本相簿。僵在深藏微米工艺下，集成电路的特征尺寸在 0 1 8 u m 旗至o 1 5 p m 以下，巴经接近甚至小于光刻波长，在这种情况下，光波的衍射效 果将非常明显，硅片上光刻阁形与掩模版图形之间的偏差不再可以忽略不计。随着集成 毫爨特 蒌尺寸不瑟避减，j 、，蕊背集残密度不颤蟪援燕，这秘光刻墨形黝变澎与偏差交褥 越采越严重，开始成为影响芯片往能稻成晶率静鬟簧因素f 2 3 。 萱篓童孽塑壁壁垒塞 釜= 薹整鎏 t 2 2 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 ) 在超深亚微米工艺中，由于光刻过程光波衍射的显著影响，在硅片上投影得到的光 刻蹰形与掩模版图形并不完全相同，甚至存在较大的差异，如图1 - 4 所示。 圈l * 40 1 8 m 工艺下设计图形和光刻图形 这种投影图形的变形与偏差会直接导致刻蚀得到的电路在电学性能甚至功能上与 联设诗要袁不撼窃台。黪剿黪，在霆影秘互l 骚逐戆嚣位，垂手巍波予涉霹戆麓终雳骥黧， 圈搿偏差会相对较大，例如在线段顶端和圈形拐角处偏差就毙较明显。丽这些图形部经 往往是对电路的电学一腱能和电路功能起关键作用的地方，从而影响了整个芯片的性熊， 甚至导致设计结果的失败。这种由于光波衍射和相邻图形光波之间干涉而使光刻图形与 掩模圈形产生偏差，扶藤馨致电路性能秘功髓发生误差霸错误的散暴就穗为光学稳j 霾效 应( o p e ：o p t i c a lp r o x i m i t ye f f e c t ) 圈【7 】。褥在实际光裁工艺j 筵撩中，这耱竞学稳遴效 应怒不可避免的，因此必须采取相应的措施来尽可能地减小掩模图形光刻到硅许上时阌 形的变形与偏差，以保 臌制造所得芯片的一睦能和获得满意的成晶率。 i 2 。3 越深耍徽寒集成毫夔麴可翻逡健霹逶 对于超深亚微米集成电路翻造过程中骶嬲现光学畸变润越，拳术界和工、韭界普遍议 为，在超深亚微米集成电路的制造过程中可以使用以掩模补偿技术为主的光刻分辨率增 强技术( r e s o l u t i o ne n h a n c e dt e c h n o l o g y ) 来解决光刻过程中出现的此类问题。从已 有懿浚糕来看，扶0 2 5 搬米起懿下凡代集成惑雅制造工艺都将会依赖于掩摸 偿按术 【8 3 【9 j 1 0 ，穗模 馁技术将或为超深甄徽涞集藏电路o 2 5 徽涞潋下工艺鬟三产过程中 邀必经的关键工序，肖学者大胆地预测邋一现象将会持续1 0 年之久 1 1 。在相闹的 生产条件下使用掩模补偿技术现有的光刻设备能制造出具有爨小特征尺寸线条的祭成 遣。路。 6 浙江人学顺【学位沦义 第一章绪论 目前的研究结果表明，掩模补偿技术基本上有两种形式：l ) 改变掩模图形( o p c - - o p t lc a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ) ： 2 ) 改变掩模相位( p s m p h a s es h i f t 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攀蠼? 对整搓置出垂型丝笪燕正，从而减小由于光的衍射和 光刻胶曝光显影蚀刻后带来的固垄j ! 堡丝塞基的理应。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 度或其它度数和一定透光率的移相膜， 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。 然而，对于o p c 的校正方法，版图设计即使通过了d r c 并经过o p c 校正处理后，还 是存在着大量光刻故障的可能性 1 2 。由于在当前的设计流中，版图的设计者并没有考 虑设计的o p c 友好性问题，从而使一些版图图形因空间的约束而不能进行充分的o p c 校 e 处理。同时由于物理因素的局限( 有限带宽系统等) ，硅片上的印刷图形不完全等同 于设计，加上生产条件如离焦，曝光强度等的随机偏差，可制造性问题一直困扰着超深 亚微米集成电路的生产，目前在校正通过的情况下，一般专用集成电路的成品率在l o 是很普遍的现象。对于a i t p s m ( a l t e r n a t i n gp s m ，p s m 的一种，第四章详述) 的校正 方法，由于这种方法需要在关键版图图形的两侧放置相位转移膜，因此对版图图形之间 的关系存在一定的约束条件，而经传统方法设计的版图不可能满足这种要求，因此必须 对版图进行a i t p s m 可制造性检查，找到不能进行相位分配的图形并修改它，使得修改 后的版图能够满足a i t p s m 可制造性的要求。因此可以说，在超深亚微米集成电路的设 计和生产中，对其进行可制造性的验证和设计是非常必要的。 l i3 本文的选题意义及其研究内容 1 3 1 本文的选题意义 当集成电路发展到超深亚微米时代，电路的可制造性问题变得越来越突出。厂商的 设计即使通过了f o u n d r y 的设计规则，如某不经过一些特殊的掩模处理技术，其成品率 将会非常低。学术界和工业界普遍认为，在超深亚微米集成电路的制造过程中可以使用 以掩模补偿技术为主的光刻分辨率增强技术来解决电路的可制造性问题。世界上一些著 名大学和知名的企业已经进行了比较深入的探讨和研究，并有相应的研究文章发表 1 3 1 4 。从已有的资料来看，从0 2 5 微米起的下几代集成电路制造工艺都将会依赖 于掩模补偿技术。 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 从目前集成电路制造工艺来看，在0 2 5 微米及其以下制程，0 p c 技术都得到了广 泛的使用。在t s m c ，u m c ，s m i c 等著名的f o u n d r y 都有o p c 部门对设计进行校正处理。 一些著名的e d a 软件供应商如s y n o p s y s ，m e n t o r 等也都有比较成熟的0 p c 软件。然而， f o u n d r y 在生产中发现，设计即使通过了0 p c 的校正，其成品率仍然达不到理想的水平。 事实上，由于光学邻近校正涉及到测试图形的覆盖率，模型的精确性( 针对m o d e l b a s e d 0 p c ) 等一系列问题，使得经过0 p c 处理的设计还要面临可制造性验证的问题 1 2 。目 前在业界，0 p c 校正之后的可制造性验证问题得到了比较广泛的重视，也有相关的文章 发表，但是e d a 界还没有提供成熟的验证软件。 当集成电路制造工艺发展到1 0 0 n m 以下移相掩模将成为必须的掩模补偿技术。特 别是在6 5 n m 及其以下技术节点，交替移相掩模技术更是必不可少。然而，由传统设计 流设计出的版图没有考虑到交替移相掩模的适用性问蹶，因此，必须对其进行a l t p s m 的可制造性检查，找到存在相位冲突的版图图形。目前，业界对交替移相掩模的研究还 停留在理论水平。 当前，集成电路产业已经被我国作为一项重要产业来发展上海和北京等地已经建 立起一批工艺水平在o 1 8 一o 2 5 微米的超深亚微米集成电路生产线，9 0 纳米和6 5 纳米 的工艺也在研究中。然而国内还缺乏对v d s mi c 的可制造性问题的研究，更不用说相关 软件的开发，因此探索和研究超深亚微米集成电路可制造性问题对于国内f o u n d r y 提高 成品率和进入纳米级集成电路的批量生产都具有重要意义。 1 3 2 研究内容 超深亚微米集成电路的可制造问题是个比较宽泛的概念，它不仅涉及到版图的设计 和物理验证，更可以延伸到电路的构架和行为的规格范围方面。本文主要针对掩模的补 偿技术( 光学邻近校正和交替移相掩模技术) 的验证进行研究，主要包括以下两个方面： 1 ) o p c 校正的实现和p o s t o p c 的可制造性验证。o p c 校正的实现包括校正流和不同 实现策略的研究。p o s t o p c 的可制造性验证研究是基于软件n a n o s c o p e 对一些经过 o p c 处理的超深亚微米集成电路版图进行验证研究，包括测试图形的生成，数据的 采集，光学模型的建立和验证，并对一些设计进行检查； 2 ) 纳米级集成电路a i t p s m 可制造性验证的算法研究，在现有设计的规则的基础上， 提出适用于a i t p s m 的设计规则；提出了一种基于标准单元的a i t p s m 可制造性验 证的算法，该算法能应用于亮场和暗场两种不同的环境。 鲨塑兰兰塑生兰塑兰笙苎一一 笙三兰堂型丝互些查型堡 第二章光刻校正技术理论 2 1 一些基本理论 现代v l s i 电路由各种工艺技术来实现，其中光刻环节最为关键 1 5 。对日益减小 的特征尺寸和日益提高的封装密度，主要通过提高光刻装置中透镜系统的数值孔径来满 足。多数光刻透镜的性能都受限衍射的，确定这种容限的三个变量是透镜数值孔径 _ 、 曝光波长x 和曝光光束的相干性g 。要确定受限衍射系统的最小分辨率w 和焦深( d o f , d e p t ho f f o c u s ) ，瑞利准则无疑是最好的度量方法。分辨率w ，即光刻系统可以刻出的 最小特征尺寸： w ：k ，三( 2 1 ) n a 式中： n a 投影光学透镜的数值孔径( n u m e r i c a l a p e r t u r e ) ，其物理极限是l _ 0 ，实际的 最大值在0 7 5 0 8 5 之间 1 5 。 x 曝光波长，其发展趋势见表2 - 1 所示。 表2 - l 光学技术与特征尺寸关系 光学技术特征尺寸 2 4 8 n m m e r c u r y - x e n o nl a m p 1 8 0 - 2 5 0 n m 2 4 8 n m k r y p t o n - f l u o r i d el a s e r 1 3 0 1 8 0 n m 19 3 n r p a r g o n - f l u o r i d el a s e r 1 0 0 - 1 3 0 n m 1 5 7 n i 芏lf l u o r i n el a s e r7 0 - 1 0 0 n m 13 4 n me x t r e m eu v5 0 - 7 0n l i l k 工艺因子，取决于透镜偏差和其它多种因素的条件系数，其理论的最小值为 0 2 5 。在目前使用的光刻设备中，它一般在0 5 到1 0 之间。 一个透镜的数值孔径定义为图像- n 所成锥角的1 2 的正弦，即： 出f。 n a = s i n ( 兰)( 2 2 ) 2 如图2 - 1 所示，其中d ，是图像所在位置到透镜平面的距离，同样可以定义物体一侧 的数值孔径，不过需要考虑透镜的缩小因子。 对于方程( 2 - 1 ) 所得出的最小特征尺寸，其焦深d o f 可由方程( 2 3 ) 给出。 ， d o f = k ，二( 2 - 3 ) 。a 方程( 2 - 3 ) 中的条件系数如，同样根据透镜偏差和工艺因素来确定。通常也在 宣塑型兰堑坠! = ! 兰竺丝二l 一 塑三兰垄型壁互垫查些笙 0 5 到1 0 之间。所谓焦深就是产生清晰图像的调焦范围，超出此范围，产生的像就会 模糊不清了。( 2 一1 ) 式说明了提高分辨率有三种方法：减小曝光波长l ，增大数值孔径删， 妙 i 图2 1 透镜数值孔径的定义 减小岛的值。但根据方程( 2 3 ) 可以看到减小波长、增大数值孔径会减小焦深。而光 刻是把掩模上的图形转移到覆盖在硅片上的光刻胶上，当焦深减小到所要求的最小焦深 范围以外时，就难以使准确像面与硅片上抗蚀剂层表面完全吻合，因而就会使产生的图 形线条粗细不一，甚至分辨不清。所以，提高分辨率是以牺牲焦深为代价的，这两者之 间相互矛盾。特别是对于n a 来说，因为d o f 与? c a 之间是倒数平方关系，对于高n a 的 光刻系统，d o f 则变得非常小。而d o f 与波长之间是线形关系，影响相对较小。式( 2 一1 ) 和( 2 - 3 ) 中消去n a 得到： 2 d o f = 等；，( 2 - 4 ) k ：a 从式( 2 - 4 ) 中可看出在参数霸、也以及分辨率舻相同的情况下，波长x 越小，焦深 越大，这样可通过减小波峰来增加焦深。另一个增加焦深的方法是减小岛的值，由于d o f 与k i 的平方成反比，故k i 的作用是很大的。 在光刻过程中，由于也是一个由光刻胶所决定的参数，光刻胶一旦选定，恕就是一 个固定的值，因此当光刻系统所采用的光的波长经给定，在一定的情况下要增大焦 深，主要的方法是通过减小岛来实现。 1 0 9 0 8 0 7 _ 0 6 o 5 0 4 0 3 。 。 淋1 - 、 -_i-l_ _-、 9 8 01 9 8 5f 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 02 0 1 5 2 0 2 0 y e a r 圈2 - 2k l 的变化趋势 l o 童坚查堂黧= ：兰堂些篓兰 一。 笙三雯盎型墼至垫查些婆 2 2 光刻系统简介 嚣 i t 在集成邀鼹生产过程中魇镬曩戆光袤l 援示意墨大致鲤强2 - 3 爨示 1 6 。光刻 在整个生产过程中的作用就是完成从电路版图从掩模到硅片表面的转移。光刻机主要有 光刻光源、聚光透镜组成成像光源，掩模作为原像，通过成像透镜组，成像在硅片表面。 图2 3 光刻系统涿意图 2 。3 必襄l 校正技术 舀前，常用的光刻矫芷技术主要包括光举邻近矫i eo p c 、移相掩模p s m 和鞲韵 图形与伪图形( a s s i s ta n dd u m m yf e a t u r e s ) 。 2 3 1 光学邻近校正技术 光学邻近矫正主要是改变原芯片掩模版图形的形状来减小光刻图形的偏差。针对不 同的图形变形情况，遇害会采用不阉的形状改变策略。现在已经有一些比较实用的策略， 如对线条宽度交纯酌情况可以改变掩模舨上的线宽，对线端交短靛 毒况弼以加入锤头 ( h a m m e rh e a d ) ，对拐角变圆的情况可以加入衬线( s e r i f ) 等等。采用o p c 矫正，原芯 片掩横版蚕形只是形状发生了改变。 现在采用的o p c 通常被分为两大类：基予甄则的方法( r u l e s - b a s e do p c ) 和基予摸 型的方法( m o d e l b a s e do p c ) 。 i 工夫学联：亡学位论叟 第二章光l 控正技术避瓷 2 3 1 。l 基于规则的光学邻近校正 捺于规则的方法，需薅事先建立矫正规则数据库，实际处迥中只需通过查找数掘库 便可以得到矫正数据实现对掩模版图形的矫雁。因此这种方法谯处理大规模集成电路芯 片时遮度更快，功能燹强。 蕊有的基于援刚豹光学邻近矫正方法流耩蒸本稿嗣，如黉2 - 4 所示。各静方法在规 则桊测、规则库数据内容和数据组织等方糊采取了不同的策略。下面从这几个方面概述 臣亟亟巫口 图2 - 4 基于规则嬲0 p c 漉程 现商算法的处理策略。 一) 规则类型 餮琵矮翼l 类型戆选褥蠹接决定了光学楼遮校正娃理夔复杂发秘准确毪。瑗鸯翁论文 中介绍了一些常用斡娥刘，总体上可以分为一维和二维两大类。图2 - 5 是几种一维规则 的图形 1 7 ，通常只考虑待校正目标图形及萁环境图形在一维方向上的参数。图2 - 6 是 几种二维规则的图形，通常要考虑图形在二缎方向上的参数。豳2 - 7 是一些细化的规则 鹫澎，与其缝援刘稚魄较，英基本思想是羧酶。 - - ) 规对瘴数据鹣来源 规则库中存储的数据可以通过光刻光学模型的模拟而获得 1 8 1 9 ，或者通过提取 光刻宓验数据而获得 2 0 ，当然也可以通过将两种方法混合应用而获得。 利用光刻光学模型盼模拟获褥数据的方法，一方蘧所褥数据的准确性受到模拟模溅 糖壤麴影稳，因蘧曩簧德释是够辜霪确豹是学摸鬃寒傈涯数摇匏撩确注，警然无谂选耩蠢 种模型，近似性总是不可避免的；另一方面所选模型越精确，模拟的过程也会越复杂， 消耗越多的时间和空间。因此在精确度与时间空间代价之间需黉做出权衡。此外光学模 拟的过程通常都需要花赞较长的时间，因此光学模型模拟的方法需要一定时间的投入。 浙江大学硕二卜学位论立 第二章光刻校正技术理论 通过光刻实验获得数据的方法可以保证数据与实际生产情形相吻合，但是必须进行 大量的实验来得到足够多的规则库数据，因此成本较高。 由此可见，将上述两种方法混合，选择较精确的光学模型进行模拟，同时配合进行 适量的实验，通过实验校正模拟模型，综合实验数据和模拟数据，可以发挥各自的优势 从而相对较快地获得足够准确的规则库数据内容。 三) 规则库数据的组织 可以选择不同的形式组织规则库数据，不同的组织形式会直接影响数据库应用时查 找数据的算法、查找的效率和查找所得结果的精确度等等。 有些算法以区间形式记录描述掩模版图形的参数 1 7 。采用区间的形式，在规则库 的建立过程中将根据矫正结果将描述掩模版图形的参数进行区间的划分，也就是说当矫 正结果接近时，其对应的输入掩模版图形参数归并于同一区间。在查找规则库进行矫正 时，将掩模版图形的实际参数对号入座获得矫正结果。这种形式的规则库，查找矫正的 处理过程相对简单，但是建立规则库的过程需要增加参数区间化的步骤，增加了一定的 复杂度，而且矫正结果的精度相对不高。 有些算法以离散点形式记录描述掩模版图形的参数 1 9 2 1 2 2 。采用离散点的形 式，在规则库的建立过程中只需要获得足够多的离散的掩模版图形参数点对应的矫正结 果。在查找规则库进行矫正时，如果掩模版的实际图形参数与规则库中某参数完全一致， 则可以直接得到矫正结果；如果掩模版的实际图形参数不能与规则库中任一参数完全吻 合，则需要通过近似，或者线性插值、高阶插值根据规则库中的数据拟合得到矫正结果。 这种形式的规则库，建立的过程只需要计算有限点，比较简单，而且结果的精度相对较 高，但是查找矫正的过程中需要进行查找、判别和插值等等处理，操作比较复杂。 有些算法以表达式或关系式的形式记录描述掩模版图形参数与矫正结果间的关系 1 8 2 0 。采用表达式或关系式的形式，在规则库的建立过程中首先需要获得足够多的 数据，然后需要对所获得的数据进行分析与计算拟合，从而得到描述掩模版图形的参数 与矫正结果及光刻工艺条件参数之间的表达式或关系式。在进行矫e 时，只需要将掩模 版图形的实际参数带入相应的表达式或关系式中计算，就可以得到矫正的结果。这种形 式的规则库，矫正过程非常简便，但是规则库建立的过程比较复杂，需要获得较多的数 据并对数据进行拟合处理，而且结果的精度相对不高。 浙江大学顺十学位论文第二章光刻校正技术理论 雾 g 1 雾 g o 蓁 菱錾羹 线规则 薹 s 1 霾 艄，2 羹鋈 图2 - 5 一维规则图形 图2 - 6 二维规则图形 戮 b 盘 鑫垦耧雾j 霾j 凹凸凹凸 凹凸 凹 短线端 长线端 短角长角 图2 7 进一步细化的规则图形 2 3 1 1 基于模型的光学邻近校正 基于模型的方法，需要事先选择适当的光学模型，实际处理中利用光学模型模拟光 4 浙江大学硕士学位论文 第二章光刻校正技术理论 刻成像的过程，实现对掩模版图形的矫正。因此这种方法需要消耗较多的时间和空间 但是矫_ f 结果的精确度较高。 现有的基于模型的光学临近矫正方法流程基本相同，如图2 8 所示。各种算法在空 间成像模拟方法、评价函数的选择和优化算法等方面采取了不同的策略。下面从这几个 方面概述现有算法的处理策略。 一) 空间成像模拟 空间成像模拟是基于模型方法的基础，它将利用光学模型模拟特定光学参数条件下 掩模版光刻后在硅片上的成像情况，在这个处理过程中需要考虑光刻、光刻胶空间成像、 光刻胶腐蚀等等实际过程。因此需要一个既准确又快速简单的光学模型来描述掩模版光 刻成像的全过程。 有些算法采用h o p k i n s 方程建立模型模拟光刻机的成像机制 2 3 2 4 。这样建立的 模型光学意义较强，计算结果较精确，但是成像模拟计算复杂，所需时间较长。 另一些算法将一组基于特定物理模型的k e r n e l 组合为模型 2 5 2 6 ，光刻成像通过 计算各个k e r n e l 与版图图形的卷积加权和而获得，各k e r n e l 对应的卷积权重可以根据 实验数据而确定。这样建立的模型成像模拟的过程简单快速，而且可以通过控制k e r n e l 的数量以及卷积权重数值使模型与实验数据相吻合，但是其光学意义较淡，而且计算结 果存在一定的近似性。 二) 评价函数 评价函数是评价硅片上光刻所得图形与期望图形之间符合程度的重要标准。现有算 法通常选择光强数值或者光强梯度作为评价函数。 所谓光强数值评价标准是指选择在硅片上光刻成像的光强分布与期望图形的光强 分布之间的差异作为评价函数。在选用此评价函数时，需要对硅片上光刻胶的曝光闽值 做近似处理，因此判断结果具有一定的近似性。 所谓光强梯度评价标准是指选择在硅片上期望图形边界处光刻成像的光强变化梯 度作为评价函数。在选用此评价函数时，主要保i i l i 7 图形边界分明，而默认了边界以外 的区域无异常情况。 三) 优化算法 优化算法是整个基于模型方法的关键部分，它将调用空间成像模拟和评价函数，采 用一定的策略来对掩模版图形进行调整，最终得到优化的版图结果。常用的方法有分支 浙江大学颂士学位论文 第二章光刻校正技术理论 图2 - 8 基于模型的o p c 流程 定界整数规划算法 2 4 、模拟退火算法 2 4 和遗传算法 2 7 等等。 2 3 2 移相掩模校正技术 相位转换掩横版主要是改变透过原芯片掩模版图形的光线强度、相位、振幅等来减 小光刻图形的偏差。通过控制光线的这些物理量，可以利用光的干涉来影响硅片上的成 像图形。采用p s m ，通常会有两个掩模版，一个是原标准的透光掩模版，另一个是附加 的可改变透光光波某些物理参数的掩模版。目前常用的p s m 可以分为两类：交替交换 的p s m ( a l t e m a t i n gp s m ) 和光强削弱的p s m ( a t t e n u a t e d p s m ) a 2 3 2 1 交替移相掩模技术 交替变换的p s m 是将传统的掩模版上透光部分图形分配以不同的相位。这种方法需 要对掩模版图形进行相位的分配，同时调整部分图形的位置，工作量较大。因此目前理 论领域注重对此方法的研究。图2 9 是相位转换掩模版提高光刻图形质量的示意图。 6 浙江火学顺士学位论文 第二章光刻校正技术理论 图2 9 常规掩模和移相掩模光学衍射比较 2 3 2 2 削弱移相掩模技术 光强削弱的p s m 是用具有相反相位部分透光的图形代替传统的掩模版上不透光的 部分。这种方法对掩模版的修正工作较简单，但需要通过实验确定部分透光的百分比数 值。因此目前工业界多采用此种方法 2 9 。 2 3 3 添加辅助图形与伪图形的校正技术 2 8 辅助图形的加入主要用来提高光刻的聚焦深度性能，也可以减小图形的偏差。其尺 寸较小，在硅片上是不可打印的，虽然与原掩模版图形不相交但与这些图形的距离通常 在o p e 影响范围之内，因此需要在光刻矫正技术中考虑。 ， 伪图形的加入主要用于平衡版图上图形的密度分布，提高芯片生产工艺中硅片处 理的整体一致性。其尺寸是可以打印的，而且与原掩模版上关键图形的距离通常较远， 但是在一些长波长影响的工艺处理中也可能使光刻图形产生偏差，因此也需要在光刻矫 正技术中加以考虑。 2 3 4 光刻校正技术面临的问题 将光刻矫正技术应用于实际芯片设计时，仍然面l 临许多需要解决的关键问题，以保 证其可行性与有效性。主要的问题可以概括为以下几个方面： i ) 几种光刻矫正技术的选择与综合利用。 上文概括描述了几种光刻矫正技术，每种方法