用于提高光刻分辨率的光學成像算法的研究

發(fā)布時間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):740

王國雄a，王雪潔b

（浙江大學a.超大規(guī)模集成電路設(shè)計研究所；b.城市學院信息與電子工程分院，杭州310027）

摘要：通過對光刻系統(tǒng)中光學成像系統(tǒng)的模擬，提出了改善光刻分辨率的途徑以及基于卷積核的計算光強的方法，并介紹了光學系統(tǒng)的傳輸交叉系數(shù)具體計算過程。建立準確描述由于掩模制造工藝、光刻膠曝光、顯影、蝕刻所引起的光學鄰近效應(yīng)和畸變所導(dǎo)致的關(guān)鍵尺寸變化的光刻工藝模型，有助于開發(fā)由成品率驅(qū)動的版圖設(shè)計工具，自動地實現(xiàn)深亞微米下半導(dǎo)體制造中先進的掩模設(shè)計、驗證和檢查等任務(wù)。

關(guān)鍵詞：光刻仿真；分辨率提高技術(shù)；光學成像

中圖分類號：tn305.7文獻標識碼：a文章編號：1003-353x(2005)09-0024-04

1 引言

光刻技術(shù)作為微電子技術(shù)微細加工的關(guān)鍵技術(shù)，是人類迄今所能達到的精度最高的加工技術(shù)。40多年來，光刻技術(shù)一直是推動集成電路工業(yè)迅速發(fā)展的重要技術(shù)[1]。

光刻系統(tǒng)的性能可以通過分辨率和景深兩個指標來衡量[2]。分辨率w，即光刻系統(tǒng)可以刻出的最小特征尺寸為

式中，na——投影光學鏡頭的數(shù)值孔徑；λ——曝光波長；k1——工藝因子，取決于透鏡像差和其他多種因素的條件系數(shù)。

對于式（1）所得出的最小特征尺寸，其景深dof可由下式給出

式（2）中的條件系數(shù)k2，同樣根據(jù)透鏡像差和工藝因素來確定。式（1）說明了提高分辨率有三種方法：減小曝光波長λ、增大數(shù)值孔徑na和減小k1的值。但根據(jù)式（2）可以看到，減小波長、增大數(shù)值孔徑會減小景深，即是說，提高分辨率是以犧牲景深為代價的，這兩者之間是相互制約的。式（1）和（2）中消去na得到

從式（3）中可看出，在參數(shù)k1，k2以及分辨率w相同的情況下，波長λ越小，景深越大，通過減小波長，可增加景深。另一個增加景深的方法是減小k1的值，由于dof與k1的平方成反比，故k1的作用是很大的。在光刻過程中，k2是一個由光刻膠所決定的參數(shù)，光刻膠一旦選定，k2就是一個固定的值，因此當光刻系統(tǒng)所采用的光的波長一經(jīng)給定，在w一定的情況下，增大景深的方法是通過減小k1來實現(xiàn)的。通常有幾種方法可以提高分辨率，增大景深，即改進光學孔徑、光學鄰近效應(yīng)校正、移相掩模、光孔濾波等。

光刻系統(tǒng)通常由照明系統(tǒng)、掩模、光學系統(tǒng)以及涂在硅圓片表面的光刻膠組成�；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中照明系統(tǒng)包括光源、孔徑和聚光透鏡；掩�？梢允嵌嗟你t掩�；蛞葡嘌谀�；而光學系統(tǒng)則是一個投影曝光成像系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)的作用是要有效地聚集、對準、過濾光線以保證光線能以均勻照度通過整個掩模。實際上它由除光源外不同的透鏡、反射鏡、過濾器以及其他光學元件組成。照明系統(tǒng)采用所謂的柯勒照明方法，即光源被放在聚光鏡的焦平面上，以保證來自光源的光線從聚光鏡出射后成為平行光束，使整個掩模平面能均勻地受到光照。前面已提到，通過減小式（1）中的k1參數(shù)可以提高成像分辨率，而景深dof又不會減小。正是由于這個原因，改進的照明系統(tǒng)或者說“離軸”技術(shù)已經(jīng)成為提高亞波長光刻分辨率的一種公認的方法。在這里，主要采用環(huán)形或四極環(huán)形的照明系統(tǒng)來提高分辨率。

2 光刻過程中光學成像仿真

要開發(fā)由成品率驅(qū)動的版圖優(yōu)化設(shè)計工具，主要研究ic生產(chǎn)過程中掩模經(jīng)曝光、顯影、蝕刻、擴散到片上成型的整個過程，建立起相應(yīng)的可快速計算的模型來描述上述整個過程。

2.1 光學成像模擬

要研究空間成像（所謂空間像即為照射到硅圓片表面的二維光強）的仿真涉及到包括衍射效應(yīng)在內(nèi)的光學現(xiàn)象，特別是傅里葉光學理論(標量及矢量)為投影成像的仿真提供了強有力的物理基礎(chǔ)。