（电力电子与电力传动专业论文）超深亚微米下ic光刻过程透射成像研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p f i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o nf o p c ) i se m e r g i n g a sa 1 1i m p o r t a n tt o o li nd e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n go f n e x tg e n e r a t i o ni n t e g r a t e dc i r c u i t s t h eb a s i ci d e ab e h i n do p c i st oi n t e n t i o n a l l ya n ds y s t e m a t i c a l l yd i s t o r tt h em a s ki ns u c haw a ya st oc o m p e n s a t e f o ro p t i c a ld i f f r a c t i o nl i m i ta n d p r o c e s sn o n i d e a l i t i e s o p ci sc o n s i d e r e dt ob eu s e f u l i nt w ow a y s ：f i r s ti te n a b l e ss m a l l e rf e a t u r e sw i t hc l o s e rp r o x i m i t i e st ob ep r i m e do d t h es a m ea r e a ；s e c o n d ，i ti n c r e a s e st h ep r o c e s sl a t i t u d e ，d e c r e a s e st h ev a r i a t i o n so f l i n e w d t ha c r o s sac h i pa n dc o u l dp o t e n t i a l l ye n h a r l c ey i e l d t op r e d i c tl i t h o g r a p h i c r e s u l t sw e l lf o ro p c p u r p o s e ，af a s t ，p r a c t i c a la n d e f f i c i e n tl i t h o g r a p h i cm o d e l ，w h i c h i ss u i t a b l ef o ro p t p r o c e s s i n go fc o m p l i c a t e di cl a y o u t s i sb e c o m i n g 如i m p o r t a n t r e s e a r c ht o p i c t h eb a s i c so f l i t h o g r a p h yp r o c e s s ，a sw e l la st h eb a s i cs t r u c t u r eo fl i t h o g r a p h i c s y s t e ma n d t h eb a s i ct h e o r y o f p a r t i a l l yc o h e r e n ti m a g i n ga r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ab i - l i n e a rm o d e lo fo p t i c a li m a g i n gi sa l s op r e s e n t e d b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，t h e s i m u l a t i o np r o c e s so fc s p l a ti sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h ec o m p u t a t i o no f t c c s ( t r a n s m i s s i o n c r o s s c o e f f i c i e n t ) u n d e r d i f f e r e n ti l l u m i n a t i o n sa n dt h e p r o c e s s i n go fp r i m a r yl e n sa b e r r a t i o n si n s i d et c cc o m p u t a t i o np r o c e s s f o rp r a c t i c a l o p c a p p l i c a t i o n s ，c s p l a t i sn o ts u i t a b l ef o ri n t e n s i t yc a l c u l a t i o no n h u g ea m o u n to f s p a r s ea e r i a lp o i n t s ，h e n c eaf a s ta l g o r i t h mo fs p a r s ea e r i a li m a g ei n t e n s i t yc a l c u l a t i o n f o rl i t h o g r a p h ys i m u l a t i o ni sd e r i v e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h e t h e o r yo fp r i n c i p a l w a v e s a c c o r d i n gt ot h i sd e r i v a t i o n ，ab i - l i n e a ro p t i c a ls y s t e mc o u l db ed e c o m p o s e d i n t oas e to fc o n v o l u t i o nk e r n e l s ，w h i c hc o u l dt h e nb ec o n v o l u t e d 谢t l l i n p u tp a t t e r n 。 a n dt h er e s u l t i n gs e to fc o n v o l u t i o nf i e l d sc o u l db es u p e r i m p o s e dt oy i e l da n i n t e n s i t y f i e l d a e r i a li m a g ec a nb ec o m p u t e df a i r l yf a s tb yt h i sm e t h o dc o m p a r e dw i t ht h e r i g o r o u ss o l u t i o no f t h eh o p k i n se q u a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h es i t u a t i o no f m a n ys p a r s e a e r i a lp o i n t sw h i c hi so f t e nm e ti no p c a p p l i c a t i o n 塑查兰堡主兰竺丝苎 塑要 k e y w o r d s ：v d s m ；l i t h o g r a p h y ；m a s ko p c ( o p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ) ； p a r t i a l l yc o h e r e n t ；p r o j e c t i o np r i n t i n g ；t c c ( t r a n s m i s s i o nc r o s s c o e f f i c i e n t ) ：l e n s a b e r r a t i o n s p r i n c i p l ew a v e s ；c o n v o l u t i o nk e r n e l s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 集成电路发展概况 几十年来集成电路技术一直以极高的速度发展。著名的摩尔( m o o r e ) 定律 指出，i c 的集成度( 每个微电子芯片上集成的器件数) ，每3 年左右为一代，每 代翻两番。对应于i c 制作工艺中的特征线宽则每代缩小3 0 【l 】。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 ) ，特征线条越窄，i c 的工作速度越快，单元功能 消耗的功率越低。所以，i c 的每一代发展不仅使集成度提高，同时也使其性能 ( 速度、功耗、可靠性等) 大大改善。随着微电子芯片技术的快速发展，一切微 电子产品( 计算机、通信及消费类产品等) 也在加速更新换代，如表1 1 所示。 时间1 9 9 9 焦2 0 0 4 拒2 0 0 9 焦 特征尺寸 o 1 80 1 30 0 7 时钟频率( g i - i z ) 1 21 62 5 电源电压( v ) 1 5 1 81 2 1 50 6 - - 0 9 金属层数 6 778 9 晶体管数2 1 m7 6 m5 2 0 m d r a m 位数 l g4 g6 4 g 表1 1c m o s 工艺发展趋势 微电子产业的科学技术水平和发展规模已成为衡量一个国家综合实力的重 要标志之一。而集成电路产业则是微电子产业的基础、粮食、龙头与核心。人类 已进入了以信息网络为核心的“新经济”时代。而以计算机和通讯为依托的“网 络”，其生存和每一步发展都离不开集成电路芯片技术的支持与更新。用美国经 济学家罗伯特丹玛斯的话来说：“互联网事实上是一种全球范围的半导体网。” 当前集成电路发展有两个方向，一是依靠加工特征线宽的不断缩小使集成密 度和速度不断提高，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 y s t e m o i lc h i p ，s o c ) 的方向发展【l 】o 现在集成电路生产 工艺已经可达到o 1 0 微米的水平。表1 2 是光刻所用光源与特征尺寸之间的关系 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 及发展趋势。 光学技术特征尺寸 2 4 8 n mm e r c u r y - x e n o nl a m p1 8 0 - 2 5 0 r i m 2 4 8 n m q - y p t o i l f l u o r i d el a s e r 1 3 0 1 8 0 n m 19 3 n ma r g o n f l u o r i d el a s e r1 0 0 。1 3 0 n m l5 7 n mf l u o r i n el a s e r 7 0 1 0 0 n m 1 3 4 r i me x t r e m eu v5 0 。7 0 n m 表1 2 光学技术与特征尺寸关系 在这个发展过程中，首要的技术问题是光刻精度问题。当集成电路的最小特 征尺寸和间距减小到了光刻所用光源的波长以下时，由于光的衍射和光刻胶显影 蚀刻特性等因素带来的不可避免的影响，掩模图形和硅圆片表面实际印刷图形之 间将不再致口】【6 】【7 】，即i c 版图图形转移的失真会有显著加大，从而降低了集成 电路的生产成品率。这一现象即所谓的“光学邻近效应”。目前世界范围内最先 进的光刻工艺都属于这一类“亚波长光刻”。 为了使光刻的结果最好地符合版图 的设计，工业界提出了对掩模作预失真和在掩模上加一层相位转移膜等的掩模补 偿方法【2 。6 1 。 1 2 光学邻近效应o p e 及其校正 随着光刻技术的不断发展，光刻线条的尺寸越来越窄，当曝光线条的特征尺 寸接近曝光系统的理论分辨极限时，空间像将产生明显的畸变，即发生所谓的光 学邻近效应( o p e ) ，导致光刻图形质量严重下降。光学光刻中的邻近效应可引 起曝光图样相对原设计图样产生多达2 0 的畸变，通常产生的畸变现象包括： 边角圆化或者畸变，线长缩短，疏密线条线宽偏差，透明掩模和不透明掩模的线 宽差别等【7 】【8 】【9 】【1 4 1 0 5 ，这大大超出工业光刻1 0 的偏差容许极刚8 1 。比如用国际 上较为常用的波长为2 4 8 n m 的d u v 光源光刻机制作1 8 0 h m 宽的线条，就会产 生很大的畸变，如图1 1 所示。 近几年来，国外一些著名大学和企业已就超深亚微米集成电路的实际制造过 程中所出现的这方面的问题，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 2 17 1 。学术界和工业界普遍认为，在超深亚微米c v d s m 九i d s m ，v e r yd e e d s u bm i c r o m e t e r ，u l t r ad e e ps u b m i c r o m e t e r ) 集成电路的实际制造过程中必须使用 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 掩模补偿技术。从已有的资料来看，从0 3 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【2 】【1 2 1 。而掩模补偿技术本身也将成为超深亚微米集成 电路0 2 5 微米以下工艺生产过程中一道必经的关键工序，按预测这一现象将会 持续1 0 年之久1 ”。在相同的生产条件下使用这种技术后，现有的光刻设备能制 造出具有更小特征尺寸线条的集成电路，如图1 2 所示。 光学参数( 图1 1 、图1 2 ) ： 数值孔径0 , 5 ，相干系数0 5 ，波长2 4 8 n m ，投影缩放系数：1 ：1 版图信息： 图1 1 ：线宽1 8 0 h m ，最小线距1 8 0 n t o 。 图1 2 ：原线条1 8 0 n m x 8 0 0 h m ； 预失真后，在两端分别加小图形。 图1 1 未经o p c 的版图与其模拟结果图1 2 经o p c 的版图与其模拟结果 掩模补偿技术基本上有两种形式：1 ) 改变掩模图形( o p c ，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 ) ；2 ) 改变掩模相位( p s m ，p h a s e s h i f t i n gm a s k s ) 。两种技术的基本目 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，以使 设计电路和在硅圆片上制造出的电路在功能上保持一致。o p c 的基本作法是， 根据光学设备的参数和实际的光刻结果，对掩模作出系统性的形状校正，从而使 得由于光的衍射和光刻胶曝光显影蚀刻后带来的非线性失真程度减小。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，图形轮廓得以保持。o p c 可以单独使用，而一般来讲，p s m 必须 结合o p c 共同使用【2 】，则达到更好的效果，如图1 3 所示。 a ) 原版图b ) 未经o p c 和p s m 的校正版图c ) 校正后的版图 图1 3 采用和未采用o p c 和p s m 掩模技术比较 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在o p c 校正过程中常采用光学逆设计的优化思想，其校正策略大致可分 成两种：一种是基于模型的o 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 o l e b a s e d ) 1 6 1 1 7 】。基于模型的o p c 是依据计算得到空间像强度分布或抗蚀剂的 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，每次计算所花时间相对要长些。而基于规则的o p c 是根据 曝光系统的参数和掩模图形参数的规律，建立一套校正规则和校正图形数据库， 然后据此规则对设计掩模图形进行优化校正。这种方法的优点是计算速度快，依 据确立的规则可预畸变相同曝光显影条件的任何形状的掩模。但是为了获得好的 校正规则，必须进行大量的列表、建库工作，这就使得预计算较为麻烦。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、有效的模型和算 法。 1 3 国内外研究现状 由于本技术领域相当新颖，系统补偿对于光学成像和光刻胶性质的认识水 平要求较高，而能处理实际大规模版图几何数据的校正软件的研发工作在世界 上也剐开始不久，因此对掩模的系统性补偿方法还没有在世界范围内得到广泛 的应用”邶3 。随着o 2 5 微米以下工艺日益成为主流技术，一种能根据光刻机和 光刻胶特性，对掩模进行自动补偿的系统性技术是必不可少的。在这当中，一 种能满足版图o p c 处理软件要求的，快速、实用而又足够精确的光刻机光学系 统和光刻胶显影蚀刻系统模型是重要研究课题，而能从硅圆片表面的实际光刻 图形来优化提取和校准系统模型参数则是面向o p c p s m 应用的关键，另外两 个比较重要的有关理论问题是基于模型的o p c 算法的研究和对p s m 问题的探 索。这些理论将为一套针对我国超深亚微米集成电路生产线o p c p s m 处理的 实用软件提供重要的理论基础0 1 。 在二十世纪九十年代后期，国内已有科研机构对光刻系统的计算机模拟这 一课题进行了探索【8 】【9 1 ，但由于我国超深亚微米集成电路及其掩模的生产一直处 于空白状态，对以校正应用为主的o p c 理论问题的研究少有文献报道。o p c 问题的特殊性表现在：为了寻找合适的掩模补偿图形，必须迭代计算大量的试 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 探点的成像，因此必须找到一种有效快速的模型和算法，对这一点也未在国内 见到相关的文献报道。 目前，世界上较大的超深亚微米集成电路生产厂商如a m d ，f u j i t s u ，h i t a c h i ， i b m ，i n f i n e o n ，i n t e l ，l s il o g i c ，m o t o r o l a ，s o n y , t s m c 等都针对自己的生产线在 使用掩模补偿技术，总体上说，它们使用的技术更倾向于经验性的掩模调整， 同时也都或多或少的开发了内部( h a h o u s e ) 的o p c 设计工具。在系统性的设计软 件方面，著名的e d a 公司a v a n t ! 和m e n t o rg r a p h i c s 已开始推出软件产品，总 体上讲，其使用方法较难掌握，软件和培训都极其昂贵，实用性也都有待提高， 而其它的著名e d a 公司如c a d e n c e 和s y n o p s y s 在自己的产品系列中都还没有 类似的工具。 我国微电子产业近几年发展进步很大，市场预测：2 0 1 0 年，我国集成电路 需求为7 0 0 亿块，价值2 3 0 0 亿元( 占世界市场的3 - 4 ) 品种以通讯类、计算 机类、消费类电路为主【18 】。上海和北京的集成电路设计产业化基地就是在这样 的背景下正式启动的，在两年内一批工艺水平在o 1 3 o 2 5 u m 的超深亚微米集 成电路生产线将在我国国内建立起来，这将对我国的i c 设计技术提出更高的要 求。 目前的情况是，国内较高水平的芯片设计和制造公司的设计技术严重依赖 于国外e d a 软件供应商。对于应用上要求迫切而国际上也还处于未成熟阶段的 工艺要求，如o p c 和p s m 的理论和技术问题，我们缺乏探索研究，也就谈不 上将来为我国自己的超深亚微米集成电路生产线提供更好的、到位的服务。研 究和开发具有自主知识产权的掩模光学校正的关键理论、算法和工具原型不但 有助于我们追赶集成电路掩模精确设计技术的世界先进水平，也将为我国的超 深亚微米集成电路生产线在已有工艺条件下进步提高成品率和缩小线宽提供 有效的工具。 1 4 本论文的研究内容 基于光学校正的超深亚微米i c 版图精确设计技术研究项目主要研究v d s m i c 生产过程中掩模经曝光，显影，蚀刻，扩散到片上成型的整个过程，在理论 研究的基础上，建立起相应的可快速计算的模型来描述上述整个过程，并能根据 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 从硅圆片上扫描得到的实际测试图像优化拟合模型参数，从而能以模型精确地描 述每一条生产线和每一种工艺的光刻特性，在此基础上研究基于模型的o p c 和 p s m 的关键算法，最后达到为实用化的系统性版图补偿软件系统提供关键理论 基础的目标。 为了在亚波长光刻的条件下正确地估计出硅片上的成像并指导o p c 技术的 使用，光刻成像模拟在现代集成电路生产中是不可缺少的。随着集成电路的规模 接近于千兆级，往往一层版图的数据量就会达到千兆字节，这种情况要求实用型 的光刻成像模拟系统必须是快速高效的。本论文针对流行的步进光刻机的特点， 主要讨论光亥4 机的光学模拟原理，建立了光刻机模型，并介绍了透射成像的快速 算法。 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 当前世界半导体技术始终按照摩尔定律在快速发展。随着高集成度、超高速、 超高频集成电路及器件的研制开发，器件的特征尺寸越来越细，加工尺寸进入深 亚微米、百纳米以至纳米级。光刻技术作为微电子技术微细加工的关键技术，是 人类迄今所能达到的精度最高的加工技术。4 0 多年来，光学光刻技术一直是推 动集成电路工业迅速发展的重要技术。尽管新一代的光刻技术：x - 射线投影曝光 技术、聚焦离子束成像技术( f i b ) 、离子束投影曝光技术( 口l ) 、电子束直写技 术( e b l i t h o g r a p h y , d i r e c tw r i t i n g ) 、电子束投影曝光技术( e b s t e p p e r , s c a l p e l ) 、 极紫外反射投影曝光技术( e u v ) 等也在不断发展，但光学光刻技术仍占主导地 位 z 3 1 1 2 4 。在6 0 年代后期，i c 线宽大概为l o u m ，而到1 9 9 9 年，已经成功地将 光学光刻技术应用于o 1 s u m 集成电路生产，目前光学光刻甚至已经应用在 0 1 3 u m 的集成电路生产中。表2 1 说明了深亚微米光学光刻技术的发展趋势【2 5 1 。 表2 , 1 深亚微米光学光刻技术发展趋势 2 1 光刻工艺流程 光刻是借助于掩模版利用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( 如s i 0 2 ，s i 3 n 4 等绝缘膜以及多晶硅和金属膜) 上刻出合乎要求的图 形，完成掩模版图形到硅表面材料层上图形的转移，以实现选择掺杂、选择生长、 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 形成金属电极和互连等目的。生产过程中光刻要反复进行多次。 光刻主要由涂胶、曝光、显影等主要步骤组成。为了增强图案传递的精确性 和可靠性，整个光刻过程还包括去水烘烤，涂底，软烤，和硬烤等步骤。光刻胶 受光照，胶中产生光化学反应，胶的结构发生重大变化，其宏观性能也出现明显 变化。例如，感光胶在某些指定溶液中的溶解特性，感光与非感光的胶相差很大。 人们利用感光胶的这种特性，在硅片上涂一薄层胶，令其某些部分感光。经显影 后，则可在涂感光胶的硅片上留下掩模的图形。集成电路的制造过程中利用这种 图形，进一步对其未覆盖的s i 0 2 ，s 0s i 3 n 4 等材料进行刻蚀加工，把胶膜上的图 形转换到硅衬底的薄膜上去。从而做成各种元器件和电路结构。任何一种典型的 光刻过程中都包含曝光，显影，刻蚀或沉积三个主要步骤。常规光刻工艺过程如 图2 1 所示，它包括： 一 l _ _ - _ - _ - _ 一 图2 1 光刻工艺过程( 负性胶) 1 2 6 1 ( a ) 氧化硅片；( b ) 涂光刻胶( 负性) ；( c ) 前烘( 8 0 一1 0 0 ) ；( d ) 曝紫外光 ( e ) 显影；( f ) 坚膜( 1 8 0 ) ；腐蚀；c n ) 去胶 ( 1 ) 涂胶( 匀胶) 涂胶是在洁净干燥的硅片表面s i 0 2 层上均匀地涂上一层厚度定的光敏材 料光刻胶( 由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成，有正胶和负胶之分) 。 ( 2 ) 前烘 前烘是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 晶片表面的附着力增强的工序。前烘的温度和时间不仅会影响光刻胶的固化，也 会影响曝光和显影的结果。 ( 3 ) 对准与曝光 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 对准与曝光是关键工序，在高精度光刻机上进行。将掩模版放在硅片表面的 胶层上并在紫外线下曝光，使光刻胶发生光化学反应。 ( 4 ) 显影 经曝光并产生光化学反应的胶在显影液中的溶解度发生变化，如负性胶光致 抗蚀( 正性胶则相反) ，而未受光照的胶被显影液溶解掉，在表面形成胶的光刻 窗口。实现了图形从掩模版到硅表面抗蚀剂上的转移。曝光后应尽快进行显影。 ( 5 ) 坚膜( 后烘) 显影后硅片置于1 5 0 c 2 2 0 c 温度下，保持2 0 m i n , - - 4 0m i l l ，去除残留溶剂， 使胶膜变硬，保证胶与s i 0 2 层的粘附质量，增强在后工序腐蚀时的耐蚀能力。 ( 6 ) 腐蚀 采用特定腐蚀液( 湿法) 或在等离子体中( 干法) 将无胶膜保护的s i 0 2 层 去除。在s i 0 2 上刻蚀出需要的图案。被刻薄膜也可以是s i 3 n 4 、多晶硅、硅化物、 铝或其它多元金属薄膜。 ( 7 ) 去胶 非金属膜上的胶层可用硫酸煮沸去除，金属膜胶层采用不腐蚀金属的特制有 机去胶剂，统称湿法去胶。而干法去胶与干法腐蚀相似，仅工作的气体腐蚀剂为 氧气。干法腐蚀已成为v l s i 工艺的标准腐蚀技术。 2 2 光刻系统及其基本理论 2 2 1 一些基本理论 现代v l s i 电路的能力由各种工艺技术来实现，其中光学光刻最为关键。对 日益减小的特征尺寸和日益提高的封装密度，主要通过提高微光刻装置中镜头系 统的数值孔径来满足。多数光刻镜头的性能都受衍射限制，确定这种容限的3 个 变量是镜头数值孔径、曝光波长和曝光光束的相干性鲫。要确定受衍射限制系统 的最小分辨率( w ) 和总焦深( d o f , d e p t ho f f o c u s ) ，瑞利准则无疑是最好的方 法。分辨率w ，即光刻系统可以刻出的最小特征尺寸： 矽：k 三( 2 1 ) 1 n a 式中：n a 投影光学镜头的数值孔径 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 x 曝光波长 k 工艺因子，取决于镜头偏差和其它多种因素的条件系数，在 目前使用的光刻设备中，它一般在0 5 到1 0 之间。 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 2 ) 给出。 ， d o f = k ，二 ( 2 2 ) n 髫 方程( 2 2 ) 中的条件系数七2 ，同样根据镜头偏差和工艺因素来确定。通常 如在0 5 到1 0 之间。所谓焦深就是产生清晰图象的调焦范围，超出此范围，产 生的像就会模糊不清了。( 2 1 ) 式说明了提高分辨率有三种方法：减小曝光波长 旯，增大数值孔径n a ，减小k 1 的值。这三者的变化可参看图2 2 。但根据方程 ( 2 2 ) 可以看到减小波长、增大数值孔径会减小焦深。而光刻是要把掩模上的 图形转移到覆盖在硅晶片上的光刻胶膜上，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，甚至分辨不清了。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n 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 1 和2 2 中消去n a 得到： d o f ：一k 2 w 2 ( 2 3 ) 七j 五 从上式中可看出在参数岛、如以及分辨率w 相同的情况下，波长1 越小，焦 深越大，这样可通过减小波长来增加焦深。另一个增加焦深的方法是减小i l 的 值，由于d o f 与k 1 的平方成反比，故k l 的作用是很大的。 图2 2n a 、旯、h 的变化趋势 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 在光刻过程中，由于如是一个由光刻胶所决定的参数，光刻胶一旦选定，k a 就是一个固定的值，因此当光刻系统所采用的光的波长一经给定，在w 一定的 情况下要增大焦深，主要的方法是通过减小k 1 来实现。通常有几种方法可以提 高分辨率、增大焦深：离轴照明( o a i ) 、光学邻近效应校正( o p c ) 、移相掩模 ( p s m ) 、光瞳滤波( a f ) 等波前工程技术脚l 。在后面我们要对这些方法进行讨 论。图2 - 3 显示了焦深d o f 与数值孔径n a 及分辨率w 之间的关系，其中k l = 如= 0 7 。 量 v 捌 稿 量 一 氍 囊 缝竟e u l i i ) 图2 3 焦深d o f 与n a 、w 的关系 2 2 2 光刻系统简介 光刻系统通常由照明系统、掩模、光学系统以及涂在圆片表面的光刻胶组成。 基本结构如图2 4 所示。其中照明系统包括光源、孔径和聚光镜头，掩模可以是 二相的铬掩模或移相掩模，而光学系统则是一个投影曝光成像系统。下面将分别 介绍系统的各个组成部分。 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 光源( u v ，d u v 。e u v ) 孔径( 圆形环形，四极形) 聚光透镜 掩模( 二相，移相) 具有内嵌滤波的 投影透镜 硅圆片 图2 4 光学投影成像系 统结构示意图 一、照明系统 、 照明系统的作用主要是要有效地聚集、对准、过滤、并聚焦光线以保证光线 能以均匀照度通过整个掩模。实际上它由除光源外的不同的透镜、反射镜、过滤 器以及其它光学元件组成。 1 、光源 光源是光学光刻的重要组成部分，光刻中所用的光是单色光，包括波长为 4 3 6 n m 到3 6 5 n m 的紫外线( u v ，u l t r a v i o l e t ) ，2 4 8 n m 到1 9 3 n m 的深紫外线u v ， d e e pu v ) ，以及1 3 r i m 以下的极紫外( e u v , e x t r e m eu v ) 。光源的类型取决于所 用的波长，主要有在紫外线范围内采用的高压汞灯，以及短波长下的准分子激光 光源。一般用汞灯的g 线( 4 3 6 n m ) 可达到0 g u m 的分辨率，改用i 线可达到o 3 5 u m 的分辨率，而使用d u v 2 4 8 n m 以下的准分子激光光源可获得0 2 5 u m 以下的 分辨率聊。 2 、聚光透镜 如图2 4 所示，光源被放在聚光镜的焦平面上。这就是所谓的柯勒照明方法， 它有一个重要的性质，即来自理想点光源的光线从聚光镜出射后成为平行光束。 这种装置的优点是光源亮度分布的不规则性不会引起视场照明强度的不规则性。 因此整个掩模平面能均匀地受到光照。除了照射剂量要均匀外，光刻过程还必须 保证方向上的均匀性，这样当掩模上同样的图形被复制时，可以不考虑它们的方 向而使刻出的图形基本一致。 3 、部分相干性及改进的光学孔径 相干性的两个方面在光刻中有重要意义。首先，因为光源要求单色性，因此 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 光在时域中是强相干的。然而，在空间域的相干性是可调整的参数，它对图象性 能有很大影响。如果存在一定的部分相干性，则说照明装置是部分相干的。部分 相干性定义为聚光镜的数值孔径n a 。与投影透镜的数值孔径n a p 之比 。：些 ( 2 4 ) n a p 这里6 叫做部分相干因子。对于圆形光源来说，光源越大，6 也越大，极限 情况6 = 一即称为不相干光学系统；同样地，光源越小，6 也越小，6 = 0 时则是 理想的相干点源。6 在0 到o 。之间为部分相干系统。实际光刻中6 的范围通常 在0 3 到0 9 之间口o j 。 为了提高6 的值，可以在光源和聚光镜之间加一孔径。这种孔径相当于波前 过滤器。部分相干情况下的圆形孔径即相当于一简单的低通滤波器，它的截止频 率由聚光镜的数值孔径m 。确定。仅仅等于某个确定斜度的平面波可以到达掩 模。引进一环形或四极孔径可滤掉不携带信息的垂直或零级光，提高图形反差。 前面已介绍过，通过减小( 2 1 ) 式中的| i l 参数可以提高成像分辨率，而焦深 d o f 又不会减小。正是由于这个原因，改进的照明系统或者说“离轴”技术已 经成为提高亚波长光刻分辨率的一种公认的方法【2 4 】。特别是当光学光刻进入深亚 微米时代，焦深的控制变得越来越困难，于是到了1 9 8 9 年人们开始把离轴照明 技术应用到光学光刻中去，以便能在高的光学光刻分辨率前提下保证足够的焦深 f 3 l 】【3 2 】 二、掩模 众所周知，在集成电路制造工艺中，有一道工序就是在掩模制版车间制造掩 模。掩模主要有：二元铬掩模、移相掩模。二元掩模只有黑、白两个灰级，即由 不透光和完全透光的部分组成的电路图形。掩模上的电路图形经过光学系统曝光 到涂了光刻胶的硅片上，产生抗蚀剂图形。 在传统的投影光刻中，采用的是这种只有黑白灰度的二元掩模。为了提高投 影图形的分辨率，即产生更细尺寸的图形，往往要求增加投影透镜的数值孔径并 缩短曝光波长。但这又受到焦深的限制。因此提出了移相掩模方法。 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 图2 5 两种掩模在圆片上产生的电场及照度的比较 所谓移相掩模，就是在传统的透射掩模上，选择性地给一些透光图形加上一 层适当厚度的透明膜层，称为相移层，使加了相移层的区域与未加相移层的区域 之间的光学相位差1 8 0 。【3 3 】。这样，就可以通过控制图形衍射光之间的干涉效应， “修整”和“优化”图形光强分布来提高图形对比度和分辨率。如图2 5 所示， 在硅片上产生的图形光强分布中，对比度明显地提高了，因而使曝光光刻图形的 分辨率明显提高。 三、光学系统 光学曝光法主要有三种：接触式、接近式和投影式。6 0 年代集成电路发展 初期，光刻工艺一直采用接触式曝光，即将掩模版与硅片直接接触进行曝光，其 优点是分辨率高、设备低廉，但它易损坏掩模且易产生间距误差，严重地影响了 v l s i 的成品率。 7 0 年代初接近式曝光问世。所谓接近式曝光就是在曝光时掩模版与硅片相 距l o - 3 0 u m ，而不直接接触。这个间隙使掩模在曝光过程中损伤减至最少。由于 掩模版与硅片间留有间隙，光的衍射效应将更为严重，使得v l s i 器件的微细图 形变得模糊，分辨率下降。分辨率可由下式表示； w ：七( 嬲) ( 2 5 ) 式中a 、d 分别为曝光波长和掩模与硅片间隙口o 】【3 2 】。由上式可见，间隙减小有利 于分辨率提高，但掩模损伤将增加。用接近式曝光可获得2 , - - 4 u r n 的分辨率。 为了进一步提高分辨率，采用投影式曝光技术。投影曝光是用光学投影的方 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 法，把掩模版图形投影到硅片上，使光刻胶曝光。由于掩模版和硅片间的距离比 较大，完全不相接触，所以完全不存在污染或磨损掩模版的问题。今天占统治地 位的成像技术是步进式重复投影系统。典型的现代投影系统的示意图如图2 4 所 示。这些系统要么是全折射的，要么是反射兼折射的，即由透镜和反射镜构成的 一种结构。通常采用缩小投影曝光的原理，把掩模图形缩小后，投影到晶片上进 行曝光的。早期的系统使用缩小倍率为1 0 ：1 的透镜，现在由于掩模加工技术的 进步，5 ：1 或2 ：l 的透镜越来越普遍。缩小倍率大，则掩模的缺陷对晶片图形 影响小，分辨率高，但像场小，曝光时间长，效率低：缩小倍率小，缺陷影响大， 分辨率低，但像场增大，效率提高。步进式缩小投影曝光系统其出发点是将大视 场分割为许多较小视场，用分步重复的方式将掩模电路图形复印到硅圆片上，解 决了大视场和微线条两者难以兼顾的困难，从而达到高分辨率和高套准精度的要 求【。 四、光刻胶 光刻胶主要由树脂、感光剂及溶剂等不同的材料混合而成。其中，树脂是粘 合剂，感光剂是一种光活性极强的化合物，它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，以便于使用。光刻胶分正胶、负胶两种。 采用正胶时，它在掩模版有图形的地方生成一层保护膜( 对紫外光，有图形的地 方是不透明的) ，显影时，曝光部分被显影液溶解掉，形成的图形与掩模相同； 而负性胶则相反，它是在没有图形的地方生成保护层( 这部分的掩模版对紫外光 是透明的) ，显影时，未受光照的胶被溶解掉，形成的图形与掩模相反。 衡量光刻胶的指标主要有光刻分辨率、抗等离子体腐蚀能力、灵敏度、抗沾 污能力、与衬底的粘附性等。传统的紫外光刻胶技术非常成熟，但是它在1 9 3 r i m 或1 5 7 n m 光学光刻中不再适用，需要探索新的光刻胶材料。而化学放大胶大大 提高了光刻胶的灵敏度，而灵敏度对于1 9 3 n m 或1 5 7 n m 光学光刻来说是至关重 要的，特别是由于采用离轴照明技术后，到达光刻胶表面的光强将减弱，如果光 刻胶的灵敏度不高，将会引起光刻生产效率降低和由于曝光时间过长而发生的热 形变等一系列问题。它的缺点是对前烘与后烘的工艺要求较为严格，而且它的抗 沾污能力较差【2 5 1 。 浙江大学硕士学位论文 第二章i c 光刻工艺及其基本原理 适用于1 9 3 r i m 或1 5 7 r t m 光学光刻的光刻胶通常包括单层胶、双层胶、顶部 表面成像3 种。双层胶和表面成像工艺比较复杂，集成电路生产商迫切要求研制 出一种新的化学放大单层深紫外光刻胶。目前看来，丙烯酸的聚合物具有可透过 1 9 3 n m 和1 5 7 n m 光波、化学结构易于裁剪、易于合成、抗等离子体刻蚀能力较 强等优点，比较适合用作1 9 3 r i m 或1 5 7 n m 光学光刻胶口5 1 。 第三章空间成像仿真 所谓空间像即为照射到硅圆片表面的二维光强。这一章介绍投影成像光学系 统空间成像的仿真方法。前面提到光学投影成像在现代集成电路制造中仍占有重 要地位。这一章我们从光的相干性的基本原理着手，分析了部分相干光的成像原 理，介绍了由于光学系统的非理想性导致的透镜像差。 3 1 部分相干光的成像原理 3 1 1 光的相干性【3 7 1 当两个或两个以上的光束叠加在一起时，强度的分布不能用简单的叠加来描 述，而是在极大与极小之间逐点变化，即产生干涉现象。如果两束光来自同一光 源，则这两束光中光强的涨落一般是相关的，完全相关的成为完全相干光束，部 分相关的称为部分相干光束。在不同光源来的光束中，涨落是完全不相关的，这 些光束就称为相互不相干的。 1 、光的相干性和互相干函数 设( p ，) 代表光场中p 点处，t 时刻的一个实扰动，它可表示为： u ( p ，t ) = 4 ( p ，t ) e o s ( 一2 m , t ) ( 3 1 ) 与其相应的复函数为： u ( p ，r ) = a ( p ，t ) e x p 一i ( 2 n - v t 一) = a ( 尸，t ) e x p - i 2 n v t ( 3 2 ) 其中：a ( p ，t ) = a ( p ，t ) e “。 现在考虑波场中两点只和b 处光振动的互相干性，假设只处的振动比最处落 后了时间t ，则光波的相干性可以由互相干函数r l ：( f ) 描述： 1 7 塑坚查兰堡主兰垒堕塞 曼三兰窒旦壁! 曼! ! 墨 r 1 2 ( f ) = ( 3 3 ) 尖括号表示时间平均。 将r 1 ：( f ) 归一化得光振动的复相干度，。：( f ) ： 触) 2 丽r , l ( o ( 3 4 ) 由上式可以证明： l y 。：( f ) l 1 。 若l n ：( f ) l - l ，则表示日和b 处的振动为完全相干的。若l y - ：( f ) l - o ，则两个 光束不产生任何干涉效应，因此月和县处的振动为不相干的 2 、准单色光的干涉 在大多数实际情况中，我们所用的光源，其辐射是以平均频率为中心，并 具有一定的频带( 设为a v ) ，它满足条件y ，这种光源称为准单色光源。 现在假定光是准单色的，由于两个干涉光束之间引起的时间延迟t 很小，因此可 对上面公式进行简化。此时r 1 ：( r ) 、y 。：( f ) 都近似地与t 无关，从而能分别由 r l ：( 0 ) 和n ：( o ) 代替。这样，准单色光的相干性可以用如下定义的互强度- ，：和复 相干因子“2 描述： 以2 = r 1 2 ( o ) = ( 3 5 ) 盹硝“2 赢 。6 3 、准单色光条件下互强度的传播 如图3 1 所示，若考虑从扩展的初级光源发出的一束准单色光，并假定与光 束相截的虚曲面a 上所有各对点的互强度是已知的，则e h 此可确定被来自曲面a 的光直接或通过光学系统照明的其他任一曲面b 上所有各对点的互强度。设只和 只为曲面a 上的两点，其互强度为，( 暑，b ) ；奶、幺为曲面b 上的两点，根据 互强度定义及惠更斯- 菲涅耳原理可得出q l 、q 2 两点的互强度，( q 。，q ：) 为： ，( q 1 ，q 2 ) = l ，( 鼻，巴) k ( 鼻，q - ) k ( 昱，q 2 ) d 置d 巴 ( 3 7 ) 其中k ( p ，q ) 为从曲面a 到b 之间光学系统