摘要：随着大规模集成电路技术的飞速发展,掩模分辨率增强技术变得越来越重要。介绍了掩模分辨率增强技术中的相移掩模技术、光学邻近效应修正技术和光源掩模协同优化技术,重点介绍了3种技术的作用和具体做法。
关键词： 光学邻近效应修正 光源掩模协同优化 分辨率增强技术 掩模 相移掩模
1、引言
光刻工艺是集成电路制造中最重要、最关键的工艺步骤之一。随着半导体技术的飞速发展，图形越来越密集，特征尺寸越来越小，对光刻工艺分辨率的要求越来越高。光刻工艺中一个重要的性能指标是每个图形的分辨率。在先进的半导体集成电路制造中，为获得高集成度器件分辨率很关键。晶圆上形成图形的实际尺寸就是特征尺寸，最小的特征尺寸即关键尺寸（CD）。光刻分辨率是指通过光刻机在晶圆表面能曝光的最小特征尺寸，是光刻技术中重要的性能指标之一。半导体业界为了追求更高的光刻分辨率先后研发出了许多分辨率增强技术和方法，其中部分技术是通过优化掩模制造工艺和技术来实现的，相移掩模技术（PhaseShiftMask,PSM）、光学邻近效应修正技术(OpticalProximityCorrection,OPC)和光源掩模协同优化技术(SourceMaskOptimization,SMO)是其中的代表。
2、相移掩模技术
相移掩模技术是掩模分辨率增强技术中的关键技术之一。其基本原理是使透过掩模图形表面相邻透光区光束之间产生180°的相位差，通过控制光学曝光过程中的光位相参数，产生光的干涉效应，部分抵消衍射扩展效应，改变了掩模图形的空间频谱分布，提高光学曝光系统实用分辨率，改善了边缘陡峭度。
图1相移掩模曝光示意图
相移掩模的种类较多，大体上可分为交替式相移掩模（LevensonPSM/AlternatingPSM）、衰减式相移掩模（AttenuatedPSM）、边缘增强型相移掩模（RimPSM）、无铬相移掩模（Chrome-lessPSM）及复合相移掩模（交替相移+全透明相移+衰减相移+二元铬掩模）几类。
产业界目前主要采用衰减式相移掩模技术用于中、高端芯片制造，一般会在0.18μm技术节点开始切入使用相移技术。一套0.18μm制程芯片所需成套掩模中通常会有1～2层是采用相移掩模技术的。
采用相移掩模技术和光学邻近效应修正技术相结合可以使193nm波长ArF准分子激光光源的光刻精度提高到40nm工艺节点，再加上浸没式透镜曝光技术和两次曝光技术的应用可进一步提高到22nm工艺节点，甚至有可能在16nm工艺节点得到应用。衰减式相移掩模主要制造流程如图2所示。
3、光学邻近效应修正技术
光学邻近效应主要是指当掩模上的特征尺寸接近曝光波长时，由于光的衍射效应和干涉效应所造成的光刻图形畸变和影像不可分辨的现象。当掩模特征尺寸接近晶圆曝光光源波长时，由于光的衍射效应的存在，用设计图形直接曝光的话，其设计的图形必然与曝光得到的图形有着比较大的差异，如图3所示。
图2相移掩模主要制造流程
图3光学邻近效应影响
为了避免这种在曝光过程中的失真，必须对设计的图形进行预先的修正，使得修改量正好可以补偿晶圆曝光系统造成的光学邻近效应，使用OPC技术处理过的图形，在晶圆上就能得到最初想要的设计，避免失真。仍以上面的测试图形为例，整个过程如图4所示。
光学邻近效应修正可大体分为两类，一类是基于设计规则的OPC———图形拐角点和线条宽度实施几何修正和亚分辨率散射条技术，如图5所示。
图4光学邻近效应校正结果
图5光学邻近效应设计规则示意图
这种方法主要是根据成像系统光强分布的不均匀和工艺不均匀性的规律，在掩模图形设计时采用增减亚分辨率图形的办法使掩模图形产生预畸变，试图使成像后的图形边界满足设计要求。通常采用线端延长、线宽增减（bias）、外角添加或切除以及添加亚分辨率散射条图形（SB）等办法改善成像图形的质量，见表1、图6。
表1典型OPC结构
图6基于设计规则的OPC
另一类是基于模型的OPC，通过光学仿真建立精确的计算模型，然后调整图形直到逼近目标图形，示意图如图7所示。
基于模型的OPC流程更加复杂，对计算资源的需求呈指数级增长。业界还使用一些专用的测试图形曝光，收集晶圆上的测试数据，用来修正软件库中的模型，使计算出的结果和实际情况尽量吻合。显然实验数据越多，模型拟合越精确。但是太多的测试图形会使得数据的收集量太大。
图7基于散射模型的OPC主要流程
光学邻近效应校正（OPC）技术是提高光学光刻分辨率、延长光学光刻设备生命周期的重要方法。业界从0.18μm节点开始引入，在90nm节点开始大量运用。
4、光源掩模协同优化技术
随着半导体制造工艺节点的不断推进，目前国际主流先进晶圆制造工艺节点已经达到14nm、7nm，更高的5nm工艺已经在研究开发中。伴随着工艺技术的更高节点要求，节距（pitch）越来越小，对分辨率的要求越来越高，已经逼近了193nm浸没式光刻技术所能达到的极限，常规照明方式下使用OPC的方式已无法获得足够的工艺窗口。
SMO技术是一种针对极小尺寸图形光刻的计算光刻技术，对光刻工艺中的光源和掩模进行协同优化，来改善在超小尺寸节点中的光刻工艺窗口，增强光学表现。
SMO的基本原理与基于模型的光学邻近效应修正类似。对掩模图形的边缘做移动，计算其与晶圆上目标图形的偏差，即边缘放置误差。在优化时模型中引入曝光剂量、聚焦度、掩模图形尺寸的扰动，计算这些扰动导致的晶圆上像的边缘放置误差。评价函数和优化都是基于边缘放置误差实现的。光源掩模协同优化计算出的结果，不仅包含一个像素化的光源，而且包括对输入设计做的邻近效应修正。
SMO主要优化思路分为两种，其一是全局优化光源和优化掩模交替进行，直至结果满足要求，即交替优化算法。另一种是局部的掩模和光源进行协同优化，充分考虑两者之间的耦合作用，来获得优化光源，即协同优化算法。
交替优化法更适用于对现有工艺的改进，并能够较为轻松地得到符合衍射光学器件(diffractiveopticalelement,DOE)限制条件的光源形状。所获得的光源可以较为容易地在DOE库中寻找到对应的光源并安装配置到机台上。然而交替优化法得到的结果很有可能是一个局部最优结果而非全局最优的，所以常常需要多次重复优化流程来进一步提升工艺窗口。
不同于交替优化法采用焦深（DOF）和掩模误差增强因子（Maskerrorenhancement,MEEF）等指标作为评价函数，协同优化法采用边缘放置误差（edgeplacementerror,EPE）作为评价函数来寻找最优解。在优化的最初阶段，协同优化法采用的是无限制光源和连续传输掩模（continuoustransmissionmask,CTM）来寻找最优解，然后将得到的光源拟合到常见的DOE光源或形成自由形式光源；根据CTM掩模插入并拟合出可制造的亚分辨率辅助图形（subresolutionassistantfeature,SRAF），根据掩模规则检查（maskrulecheck,MRC）修正掩模，最终将光源和掩模协同优化得出最终结果。
业界通常做法是在32nm开始引入SMO技术，在与ArF相移掩模技术、不透明的MoSi(opaqueMosionglass,OMOG）掩模技术结合后，可以满足16nm技术节点晶圆制造所需掩模制作的需要。以ASML-Brion公司的TachyonSMO软件为例，基本流程如下：
1)输入光刻的各项条件，包括光刻机型号、光源数值孔径大小、偏振方向、光刻胶膜层结构等；
2)输入根据规则制定的测试图形、实际芯片图形和工艺监控图形；
3)输入条件确定后，SMO软件会生成一个初步模型，其中光源形状和掩模形状作为变量，并将二进制掩模转化为CTM;
4)进行SRAF位置选择和插入；
5)完成光源、掩模和SRAF的初步优化后，后续逐步对光源和掩模进行细化；并将理想化的光源条件拟合到可实现的形式；
6)光源条件确定后软件会生成hopkins模型，其中包括光学模型、光刻胶模型、掩模三维效应模型等，模型确定后进行掩模的优化和设计准则检查，此步骤一直循环运行，直至完成整个SMO的优化过程。
5、结论
随着大规模集成电路技术的发展，对光刻分辨率的要求也越来越高。分辨率增强技术随之变得愈发重要。在分辨率增强技术发展过程中，掩模和光学系统结合得越来越紧密，高端掩模已作为光刻工艺不可缺少的部件而存在。当前掩模分辨率增强技术已不仅是掩模厂商的事，晶圆厂、电子束曝光等设备厂商以及EDA厂商都必须携起手来共谋发展。