ZT: 可分離性O(shè)PC模型加速了計(jì)算光刻技術(shù)的發(fā)展

步從容

在低k1光刻中，如果沒有采用經(jīng)光學(xué)臨近校正OPC的掩模，那么對(duì)光刻工藝的整合和認(rèn)證就顯得意義不大。功能強(qiáng)大的可分離性模型可獨(dú)立地對(duì)光學(xué)部分和光刻膠部分進(jìn)行建模，能更快地得到準(zhǔn)確的OPC結(jié)果，縮短了對(duì)光刻設(shè)備和OPC進(jìn)行認(rèn)證工藝所需的時(shí)間。采用確定的RET策略以及按預(yù)定的精度進(jìn)行必要校正，經(jīng)OPC校正的掩模可以直接用于工藝線新安裝的光刻設(shè)備上，從而使它能迅速地進(jìn)入生產(chǎn)階段。

      Hua-Yu Liu, Jiong Jiang, Quin Zhoa, J. Fung Chen, Brion Technologies, Robert Socha, Jo Finders, ASML

      

      有別于傳統(tǒng)的行為集總型模型，分離式光學(xué)臨近校正（OPC）模型不僅可在整個(gè)芯片工藝窗口范圍進(jìn)行表征，通過微調(diào)來匹配現(xiàn)有的工藝和曝光設(shè)備，也可以在使用新一代曝光設(shè)備、光掩模版、光刻膠工藝之前就可以對(duì)現(xiàn)有的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

      在本文中，我們將對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，以表明Tachyon FEM（聚焦和曝光矩陣）能夠?qū)�光學(xué)部分和光刻膠部分獨(dú)立地進(jìn)行建模，在它的光學(xué)模塊中可以直接輸入實(shí)際的照明光源分布及其聚焦和曝光量。對(duì)實(shí)驗(yàn)硅片的光刻結(jié)果表明，對(duì)某個(gè)光學(xué)設(shè)置進(jìn)行過校正的FEM模型可以外推應(yīng)用到其他完全不同的光學(xué)設(shè)置中，對(duì)其校準(zhǔn)精度的預(yù)測(cè)具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度。

      OPC模型

      模型化的OPC推動(dòng)了計(jì)算光刻技術(shù)的發(fā)展，以滿足從90nm到20nm及其以下工藝中對(duì)整個(gè)芯片上CD均勻性（CDU）的要求。由于未來對(duì)CDU的目標(biāo)要求會(huì)更加苛刻，對(duì)整個(gè)芯片級(jí)的光刻性能優(yōu)化將會(huì)變得非常重要和極其必要。針對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行校準(zhǔn)的模型化OPC，就必須在整個(gè)芯片級(jí)的CD校正和認(rèn)證上提供可靠的精確度。

      通常的OPC模型僅僅局限在所校準(zhǔn)的光學(xué)和光刻膠的狀況，每次任何一個(gè)光學(xué)設(shè)置發(fā)生改變，這種模型就要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。為了能夠在采用現(xiàn)有涂膠工藝情況下對(duì)即將采用的新一代曝光設(shè)備預(yù)先進(jìn)行光刻工藝的表征，就需要一個(gè)完全分離型的光刻模型。因此，光刻膠、成像設(shè)備和掩模模型都必須相互獨(dú)立，這樣才可使現(xiàn)有的光刻膠和掩模模型能與新一代光學(xué)配置模型相結(jié)合。
在實(shí)際的生產(chǎn)中，在當(dāng)前45nm節(jié)點(diǎn)工藝中要校正一個(gè)可靠的OPC模型是非常耗費(fèi)時(shí)間的。采用一個(gè)模型校正測(cè)試掩模板來曝光硅片可以加快進(jìn)度（小于一個(gè)小時(shí)），但隨后進(jìn)行的下列兩個(gè)步驟依然是個(gè)很麻煩的事情：

      （1）要用SEM進(jìn)行幾千次的CD測(cè)量工作，還要在整個(gè)工藝窗口范圍中提取二維的圖形數(shù)據(jù)，隨后還要：

      （2）耗費(fèi)很大精力去“整理”大量的測(cè)量數(shù)據(jù)。

      上述步驟即使不花上幾個(gè)月，也要好幾個(gè)星期，但是如果能使用強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)硬件，實(shí)際的OPC模型校正只需要幾天就能完成。毫無疑問，總的校正過程在當(dāng)今天快節(jié)奏的生產(chǎn)發(fā)展周期中占據(jù)了過多的時(shí)間。如果校正工作需要重復(fù)更多次數(shù)的話，情況會(huì)變得更為糟糕。但如果能采用新一代的分離化模型，就可以在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)高可靠的校正模型。

圖1. a）一個(gè)直線圖形的模擬成像；b）將a圖中紅色窗口部分進(jìn)行局部放大，表明在采用256個(gè)以上的Hopkins TCC條件下可與Abbe計(jì)算分析結(jié)果吻合良好；c）兩種方法對(duì)不同節(jié)距的CD都有著很好的匹配性。


圖2. FEM基礎(chǔ)模型的性能。通過比較整個(gè)工藝窗口范圍的CD均方根誤差設(shè)定值（黑色）和預(yù)測(cè)值（紅色）來評(píng)估模型的性能。


圖3. 實(shí)際照明光源分布（紅色）與參數(shù)化設(shè)置（藍(lán)色）相比，模型的精度得到了改進(jìn)。

      可分離的OPC模型

      可分離模型的優(yōu)勢(shì)在于其中每一個(gè)模塊都能夠更加全面地反映該級(jí)別的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而提高了它們的精確性和可靠度。在獲得實(shí)際的硅片數(shù)據(jù)以及新設(shè)備之前它就具有更多、更為強(qiáng)大的應(yīng)用，比如能夠?qū)Φ?/font>k1成像做早期的確認(rèn)、對(duì)掃描式光刻機(jī)的進(jìn)行匹配及表征、對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的快速適應(yīng)及微調(diào)，這些應(yīng)用的結(jié)果將能改進(jìn)產(chǎn)品的良品率和更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

      在本文中，我們將討論如何建立可分離的模型，以及如何使用對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行表征的FEM校正技術(shù)[1-8]，并且僅使用一組FEM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來對(duì)一個(gè)基本模塊進(jìn)行校正。在改變光學(xué)條件時(shí)，無須使用任何硅片數(shù)據(jù)就可以很快生成多組模型。然后由這些模型可以產(chǎn)生對(duì)CD的預(yù)測(cè)并與相應(yīng)的硅片上CD測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。為了論證可分離模型的性能，我們將經(jīng)校正基本模型產(chǎn)生的CD均方根（RMS）誤差與那些未經(jīng)硅片校正模型產(chǎn)生的CD均方根（RMS）誤差進(jìn)行了比較，實(shí)際不同的照明光源分布的模擬結(jié)果證明了該模型在精確性方面的改進(jìn)。

      可分離模型建立

      對(duì)于一個(gè)可分離的模型而言，物理過程中某一部分的變化只應(yīng)會(huì)影響該模型的相應(yīng)部分。比如說，采用環(huán)狀照明校準(zhǔn)的模型在應(yīng)用于其他類型照明時(shí)也應(yīng)該能準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測(cè)。在光刻工藝的三個(gè)層面（掩模版、光學(xué)系統(tǒng)和光刻膠）上，對(duì)每一模型模塊的根本的物理特性與其主要的物理效應(yīng)結(jié)合得越為緊密，則整個(gè)模型的可分離性將會(huì)越好。

圖4. 模型可分離性試驗(yàn)評(píng)估中光刻膠 CD RMS誤差總結(jié)。在四種曝光條件下對(duì)硅片的測(cè)量不是用于模型的擬合，而只是用來進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)的比較。

      光學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)需要遵循基本原理和嚴(yán)格的光學(xué)成像理論。必須盡可能地減小殘余的擬合誤差，以防止它不必要地耦合到光刻膠的模型中。Hopkins傳輸交叉系數(shù)（TCC）常被用來描述OPC中的部分相干成像的形成過程。為了得到最好的結(jié)果，需要多達(dá)256個(gè)的TCC條件才能與Abbe方法計(jì)算分析的圖像相吻合（圖1）。對(duì)于低k1成像，在光學(xué)鄰近計(jì)算中采用較大的界限半徑（3-4μm）可以更好地獲得可以接受的精確度。一些重要的物理效應(yīng)，比如照明光源的分布、用Jones Pupils表示的偏振度及成像透鏡的波陣面像差等都需要包括在內(nèi)，才能代表實(shí)際掃描型光刻機(jī)的光學(xué)特性。

      光刻膠模型需要進(jìn)行物理上的改動(dòng)，并且應(yīng)該能與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行很好的校準(zhǔn)。為了進(jìn)行矢量成像，要計(jì)算光刻膠中的空間像平均值以及空間像的分布。光學(xué)模型能很好地預(yù)測(cè)變化的趨勢(shì)，但我們也需要一個(gè)有效的光刻膠模型來準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)CD、分辨率、工藝窗口和鄰近效應(yīng)。

      采用現(xiàn)有的光刻膠模型，只要簡單地改變模型的光學(xué)部分，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)即將到來的低k1成像技術(shù)、掃描型光刻機(jī)匹配、RET/OPC的參數(shù)以及設(shè)計(jì)規(guī)則等問題的處理。由于事先就能進(jìn)行準(zhǔn)備工作，在第一時(shí)間就獲得準(zhǔn)確模型的可能性就大為提高，這樣就可縮短整個(gè)工藝的研發(fā)和認(rèn)證周期，加速RET/OPC掩模版數(shù)據(jù)帶的產(chǎn)生過程，以更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

      可分離式模型是具有預(yù)測(cè)性。該模型通過約束性FEM形式對(duì)對(duì)一組有限的圖形規(guī)格和形狀的CD采樣來進(jìn)行校準(zhǔn)。該模型預(yù)計(jì)在整個(gè)工藝窗口范圍內(nèi)

對(duì)整個(gè)芯片布局獲得相同水準(zhǔn)的精確度。圖2通過比較CD誤差均方根的設(shè)定值（黑色）和預(yù)測(cè)值（紅色）顯示了模型的這種性能。

      實(shí)驗(yàn)評(píng)估

      為了評(píng)估模型的與Tachyon相關(guān)的可分離性，我們已在位于Veldhoven的IMEC的ASML演示實(shí)驗(yàn)室以及Albany研究中心進(jìn)行了一些晶圓光刻試驗(yàn)。利用先前所描述的建模和校正方法，我們對(duì)光刻膠CD RMS誤差的預(yù)計(jì)值和實(shí)際晶片上的測(cè)量值進(jìn)行了比較，以檢測(cè)可分離式模型模擬實(shí)際硅片光刻的性能。所獲得的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)采用實(shí)際的照明光源分布時(shí)，相對(duì)與早期的參數(shù)化模型而言，該模型在預(yù)測(cè)結(jié)果的能力上，以及在如何從一個(gè)設(shè)定的基礎(chǔ)模型來處理不同NA和照明狀況的能力上都有了很大的性能提升。對(duì)涵蓋掩模的三維形貌效應(yīng)和Jones Pupil計(jì)算的最新掃描型光刻機(jī)設(shè)備的進(jìn)一步報(bào)告將會(huì)隨后公布。


圖5.相同環(huán)形照明光源下的NA研究（σi/σo =0.64./0.90）: a）NA=1.15的基礎(chǔ)模型；b）NA分別采用1.1 and 1.2的模型。


圖6. 相同NA=1.15下的照明研究：a）采用 0.64/0.90環(huán)狀照明光源設(shè)置的基礎(chǔ)模型；b）采用不同的0.59/0.85環(huán)狀照明光源設(shè)置和采用0.64/0.90類星體狀照明光源設(shè)置的模型。

      圖3顯示了當(dāng)用實(shí)際照明光源分布（紅色）來替代參數(shù)化設(shè)置（藍(lán)色）后，我們?cè)谔岣吣Ｐ途�度上所獲得的結(jié)果。每個(gè)測(cè)試案例中，采用照明光源分布的CD RMS誤差始終較小。因?yàn)槟Ｐ途哂锌煞蛛x性，基礎(chǔ)模型（圖3左側(cè)）和其他沒有進(jìn)行擬合模型之間在RMS偏差上都在亞納米范圍。
圖4總結(jié)了實(shí)驗(yàn)條件以及對(duì)經(jīng)擬合的基礎(chǔ)模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的CD RMS誤差的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中所用的曝光設(shè)備是ASML 1700i。所有曝光均采用相同的光刻膠工藝。基礎(chǔ)模型以NA=1.15和采用環(huán)形照明（σi/σo = 0.64/0.90）進(jìn)行擬合；擬合模型中光刻膠 CD RMS誤差為0.95nm。利用基礎(chǔ)擬合模式，我們分別采用兩種不同的NA和照明設(shè)置來研究模型的預(yù)測(cè)能力。NA的實(shí)驗(yàn)設(shè)置分別是1.1和1.2，采用相同的基礎(chǔ)模型環(huán)形照明。而對(duì)于照明光源試驗(yàn)，一種采用的是環(huán)形照明（σi/σo = 0.59/0.85），另一種則是類星體quasar狀照明（σi/σo/degree = 0.64/0.90/30），NA參數(shù)值與基礎(chǔ)模型相同均為1.15。沒有使用任何的硅片數(shù)據(jù)來對(duì)新模型進(jìn)行校正。

      如使用基礎(chǔ)模型，并在NA=1.15條件下進(jìn)行校正來對(duì)相同環(huán)狀照明條件下兩種不同NA設(shè)置（1.1和1.2）進(jìn)行研究，用均方根誤差RMS形式來表征模型對(duì)光刻膠CD的預(yù)測(cè)性能，其CD的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值分別是1.07nm和0.96nm。如果NA設(shè)置均為相同的1.15，但是采用了不同的光源（另一個(gè)環(huán)形光源和一個(gè)類星體quasar-30照明光源，模型預(yù)測(cè)的均方根誤差RMS分別為1.07nm和1.28nm。與0.95nm的基礎(chǔ)模型均方根RMS誤差相比，其差異保持在亞納米范圍內(nèi)。
圖5顯示了三個(gè)NA設(shè)置時(shí)在不同節(jié)距情況下的CD的均方根RMS誤差散點(diǎn)圖，并將在NA=1.15進(jìn)行校正的基礎(chǔ)模型的誤差趨勢(shì)與NA設(shè)置為1.1和1.2的預(yù)測(cè)值進(jìn)行了比較，三幅圖均采用了圖4所提到的采用了相同的環(huán)狀光源。所有節(jié)距設(shè)置的下的RMS誤差的變化趨勢(shì)極為相似，都為亞納米級(jí)，這是可分離性模型具有良好性能的又一個(gè)證據(jù)。圖6為類似的散點(diǎn)分布圖，該圖是對(duì)一種照明光源進(jìn)行校正的基礎(chǔ)模型的誤差預(yù)測(cè)值與其他兩種不同照明光源設(shè)置下的模型預(yù)測(cè)誤差值進(jìn)行了比較，三者都采用相同的NA值為1.15（見圖4）。該模型在整個(gè)節(jié)距范圍內(nèi)的誤差變化趨勢(shì)相互符合得都非常好，預(yù)測(cè)值與擬合值的RMS差值均在亞納米范圍內(nèi)。

步從容

總結(jié)

      對(duì)硅片的光刻實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功驗(yàn)證了可分離式模型在不同掃描型光刻機(jī)-光刻膠工藝類型中的應(yīng)用。計(jì)算光刻的可分離式模型能夠大幅度地加快產(chǎn)品投入生產(chǎn)的速度。如果現(xiàn)有的光刻膠工藝能夠用于新型的掃描式光刻成像條件，這一可靠的模型（適用于任何掃描式光刻設(shè)備配置）只需要幾分鐘，而不是以往需要幾周的時(shí)間就能執(zhí)行。在曝光設(shè)備安裝之前，該模型就能使用在設(shè)備廠測(cè)量的精確設(shè)備參數(shù)，愈早能建立精確的模型，就能夠同時(shí)、平行地來確定設(shè)計(jì)規(guī)則、RET策略、OPC開發(fā)等。你還可以發(fā)現(xiàn)有更多的選件以及能獲得最佳化的解決方案。

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