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标题: 计算型光刻技术简介 [打印本页]

作者: tlx 时间: 2011-5-16 08:31
标题: 计算型光刻技术简介
半导体工业目前的普遍做法是使用的是波长接近200nm的光源来刻制30nm尺寸级别的芯片图像。如果按照常规的光学理论，由于所谓衍射极限的存在，200nm光源光刻技术的理论分辨率极限应在400nm左右。

然而，实际上人们在上世纪90年代末期几乎没费什么周折就已经跨越了350nm分辨率，而且当时所使用的光源技术还是基于248nm波长的。如今，这个波长数值已经降低到了193nm。而业界也已经开始实施并逐步提升28nm制程产品的产量，同时开始筹划22nm节点该采用什么样的光刻技术。

以彼之道还施彼身：

但这并不意味着在现代光刻技术中，衍射效应已经变得不重要，实际上，衍射效应造成的影响还是很严重的。如果你想在晶圆上刻制晶体管或其连线的图形，那么实际刻出来的图像边缘可能会由于衍射效应的存在而产生边缘模糊或其它图像缺陷。不过，尽管衍射效应的影响非常严重，有时候反过来我们也可以利用衍射效应来达到我们的目的。

OPC光学邻近校正技术：

利用衍射效应的最典型例子恐怕就是常用的光学邻近校正技术（Optical proximity correction：通常简称OPC），OPC中应用了一种被称为图像分割（Fracturing）的技术，这项技术将需要成像的图形划分成许多小块，并且利用衍射光束之间的相互干涉效应，在掩模板上将需要成像的图形的形状进行一些改变，并在转角等处添加或减少一些小块图形，这样就可以利用衍射效应来消除最终在晶圆上成型的图像转角等边缘处可能出现的图像边缘缺陷。从这种技术的本质，我们已经可以看出这种技术要实现需要进行大量的模拟计算。

为了克服衍射效应，有一些图像还被从方形改变成圆形图像，比如过去用于连接各层电路的接触孔（Contact hole，注意并不是触点Contact）的形状基本都是方形设计，而现在接触孔的形状已经完全变成了圆形结构。

PSM相移掩膜技术：

除了OPC之外，另外一项利用衍射效应的分辨率增强技术(RET)是相移掩模技术（ phase shift mask：简称PSM）.在0.18微米时代，PSM技术开始大行其道，这种技术利用光波的相差来锐化最终在晶圆上成像的图像边缘。PSM技术存在许多流派，比如交替式相移掩膜技术（alternating phase-shift mask technique，有时被简称为APSM或Alt-PSM）和弱化式相移掩膜技术（Attenuated phase-shift mask technique,有时候也用APSM的缩写形式）技术等。Intel在65nm制程节点便采用了交替式相移掩模技术。

采用交替式相移掩模技术的Intel65nm SRAM图片

从PSM技术的本质来看，PSM对掩模板制造和检测方面的要求是比较高的。

OPC最终取代PSM成为主流：

尽管PSM曾在业内风靡一时，但是OPC技术最终取代了PSM，成为业内主流的RET技术。虽然OPC技术需要进行大量的模拟计算，但是相比PSM技术而言，应用OPC技术的掩模板更容易制造和检测。比如Intel从45nm起，便不再使用APSM技术，而改为使用OPC+193nm干式光刻+双重成像技术。

Intel 45nmSRAM图片：放弃了APSM，改用OPC+193nm干式光刻+双重成像技术

1D layoout的优势和仍需解决的问题：

由于现代光刻技术较多地依赖于衍射光束之间的干涉效应，因此刻制由一组完全由彼此平行的衍射光栅组成的图像是最容易实现的。实际上，芯片业者已经在考虑如何在电路布局方案上做出改变，以尽量让需要刻制的电路图像都是直线形状，并且彼此平行，间距相等，尽量避免出现线路弯折，转角的情况（因为这种布局风格中图像基本只沿一个坐标轴方向延伸，因此通常人们将这种布局风格称为“一维布局”（1D Layout）；而传统的电路布局风格则称为2D Layout）.

1D Layout的典型设计

以Intel为例，他们在45nm节点甚至已经将连接晶体管电极和晶体管之间连线的触点的形状从正方形改成了长方形。相比传统的正方形触点，长方形图像的刻制显得更加容易。不过长方形触点带来的问题是栅极与触点之间的寄生电容变大，因此Intel鼓励设计者们想其它的办法来弥补这个问题。

即便已经采用了1D Layout设计，衍射光栅图像彼此之间的距离能达到多小，也即这些一维图像的密度能达到多大仍然是需要解决的问题。当这些图像彼此之间的距离越来越接近时，成像的质量也会急剧下降。

在0.18微米和90nm的时代，这种设计风格被证明是十分行之有效的。因为当时晶体管期间的栅极长度缩减的速度要比栅极距缩减的速度更快，栅长的缩减，能够让制造商增加晶体管的运行频率，而同时由于栅极距缩减速度相对较慢，因此制造商们几乎没有在图像的光刻成型方面遇到什么较大的障碍。

不过，后来进一步缩减栅极长度时，晶体管的漏电量问题开始变得不容忽视，因此制造商们被迫减缓了栅长缩减的速度。在栅长无法继续缩减的条件下，要满足摩尔定律的制程尺寸缩减速度，就只能从栅极距方面想办法，也即如何缩小晶体管漏源极触点之间的距离。

液浸式光刻与DP双重成像技术：

解决这个新问题的方法之一是所谓的双重成像技术（double patterning，简称DP）。双重成像的思路是将图像分两批分别成像.不过，即使采用了DP技术，有些图像形状的成型仍然非常困难。比如电路中用于连接各层电路的过孔（Via）结构，由于其分布状况通常没有周期性，因此很难用DP技术来刻制。

更重要的是，DP技术实现的成本是很高的。顾名思义，这种技术需要进行两次光刻过程。而在芯片制造业，为了提高芯片的产量，厂商们通常需要使用两台光刻机来实现DP光刻，而光刻机则通常是芯片厂中最为昂贵的生产设备，因此，DP技术的启用，意味着仅是光刻机设备方面厂商就需要增加一大笔费用。

另外一个解决问题的主要方法就是已经为人们所熟知的液浸式光刻技术。这方面想必各位同样已经如双重成像技术一样已经有所了解，在此就不再重复了。液浸式光刻之后，不少厂商现在已经开始考虑是否要转向EUV光刻技术，当然EUV光刻技术目前还有许多问题需要解决，比如光源功率等，看起来还不够成熟。

尽管液浸式光刻+DP技术目前正大行其道，但是不少芯片制造商和光刻软件设计厂商认为，OPC技术仍然有继续发展的余地。不过，新的OPC技术已经不是过去那种单纯着眼于调整掩模板图像形状的思路，而是对包括光源，图像投射，光阻胶成像等在内的整个光刻过程中的各方面因素进行综合考虑，新的OPC技术不再仅仅局限于光掩模的设计，而且还要考虑光源优化等因素。

传统OPC技术的升华--计算型光刻技术：

这就是目前流行的所谓“计算型光刻技术”（computational lithography），尽管各家厂商在计算型光刻技术的实现方法上各有不同，但其基本概念和思路都是一致的。计算型光刻技术的关键技术是被称为光源-掩模优化的技术（source-mask optimisation），而光源-掩模优化技术其实质就是综合考虑了光源优化和掩模板图型优化的OPC技术。

那么，这里所说的光源优化又涉及哪些内容呢？实际上，多年以来，光刻机上一直都在使用与光源优化有关的巧妙技术，其中最典型的例子就是所谓的离轴照明技术（又称多光源技术Multiple source），离轴照明技术可以在衍射效应较为严重的情况下用于改善图像的分辨率。不过目前离轴照明技术的光束形状都是较为简单的圆形或弧形形状，比如四极离轴光照技术采用的就是环状均布的四个弧形光束。

而计算型光刻技术在光源优化和掩模板图形优化方面则更近了一步，可以使用更为复杂的像素型光源照明光束技术或掩模板图形形状，得到任意形状的图像。

计算型光刻技术并不向传统的OPC技术那样仅仅使用模型来推测要采用何种形状的掩模板图形，采用计算型光刻技术的设计软件采用了类似于光线追踪算法的思路，从最终需要成型的图像进行反推计算，算出所需的最佳掩模板图形和光源配置方案。由于综合考虑了掩模板和光源两个方面，因此这样计算出来的结果中，掩模板部分的图形可能与最终在晶圆上成像的图像形状相差甚远，但是配合光源优化技术，却可以让最终生成的图像满足需求。

不过，光源-掩模优化技术也并非没有缺点，由于电路中不同的图像需要采用不同的优化算法，比如触点图像的成像优化算法就与金属互连线的优化算法有所不同，因此，要完全验证优化计算后的实际效果，就必须对优化计算后的结果进行模拟，检查最终的成像结果是否符合要求。

光源-掩模优化技术的最主要优势之一是可以解决焦深（depth of field，简称DOF）的问题。所谓的焦深，指的是保持影像清晰锐利的前提下，焦点沿着镜头光轴所允许移动的距离。由于目前的液浸式光刻系统数值孔径NA值普遍较大，因此导致焦深值很小。而尽管晶圆片的尺寸精度控制已经非常严格，但仍有可能出现晶圆片部分区域超过焦深范围的情况。

根据IBM和光刻设计软件厂商Mentor Graphics在计算型光刻技术方面的联合研究成果显示，像素化光源设计可以有效增加光学系统的焦深，提升的幅度可达30%左右。

另外，制造一套掩模板的费用已经达到数百万美元水平，这些成本费用的很大一部分都是来自掩模板的测试与维护方面。而传统的OPC技术却很难在问题发生时确定掩模板上有哪些图像的形状出现了疵漏，要解决这个问题，只有通过能追踪到光源与掩模板综合作用的高级设计软件才行。

计算型光刻技术对设计准则的影响：

当然，计算型光刻技术的应用对芯片的设计准则会产生很大的影响。因为这种技术是专门针对某款掩模板上的某种图像进行优化--通常的优化对象都是接触孔，互连线以及过孔等结构的图像，因此，需要芯片的设计者在设计芯片时对这些图像采用特殊的设计准则。实际上，常规OPC技术的运用，已经导致了设计准则的限制程度有所提升，有些可能导致问题的线路图像的形状是被严格禁止使用的。

但是计算型光刻技术在对设计准则的影响方面又更近了一步，要求禁止在特定的掩模板上使用特定的图像与图像，或光源与图像的组合。这样，除了光源-掩模优化方面需要进行大量运算之外，得出最佳化设计准则所需的计算量也大幅增加了。

被牵涉在内的因素甚至还包括了掩模刻写用设备。多年以来，芯片制造商一直希望使用正方形形状的图像设计，而对电路设计软件厂商而言，长方形的图像则在进行电路布置计算和模拟计算时更易于计算；但是，对对掩模制造用设备电子束直写机的厂商而言，圆形的掩模板图像则是最容易制造的。

因此，掩模板制造用工具的厂商一直试图劝说芯片制造商尽量使用圆形的图像形状，至少这种方案能够减小芯片制造时间并降低制造成本。不过，假如芯片制造商方面验证这种新方案所需花费的计算时间太长，那么他们会继续使用传统的成熟方案来制造产品。

计算型光刻--缓兵之计：

尽管22nm的脚步已经迫近，但是计算型光刻是否可以满足22nm制程的要求则仍然存在很多未解的问题.特别是计算型光刻技术的采用，需要使用大量的资金来购买计算用的超级计算机设备。但是，考虑到计算型光刻技术的应用，可以为新的光刻技术如EUV等赢得更多的宝贵准备时间，从这点上看，厂商们在计算型光刻技术上进行投入还是非常有意义的。

作者: oe507 时间: 2011-5-19 08:22
好文，支持一下，学习了

作者: xj2010cg 时间: 2012-5-7 19:54
看看，谢谢分享

作者: marongguan 时间: 2012-6-7 10:02
支持楼主，楼主辛苦了这么长的文章

作者: guochengzheng 时间: 2013-9-1 00:17
谢谢楼主分享

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