計算光刻技術(shù)的發(fā)展

計算光刻 (Computational Lithography)技術(shù)是指利用計算機輔助技術(shù)來增強光刻工藝中圖形轉(zhuǎn)移保真度的一種方法，它是分辦率增強技術(shù)(ResolutionEnhancement Technology，RET)的延伸，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括光學(xué)成像物理仿真、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正 (Optical Proximity Correction,OPC)、光源-掩模協(xié)同優(yōu)化 (Source-Mask Optimization， SMO） 等。三種計算光刻技術(shù)的對比見表。

雙曝光和多次曝光技術(shù)中所需要的圖形分割和組合計算也被納人廣義的OPC 技術(shù)范疇。計算光刻技術(shù)通過光刻仿真計算等方法預(yù)測目標(biāo)硅片上形成的圖形，再反饋調(diào)整和優(yōu)化掩模版圖形及光刻工藝條件，其目標(biāo)是結(jié)合光刻設(shè)備及工藝狀況將電路設(shè)計圖形更真實地轉(zhuǎn)移到硅片上。計算光刻技術(shù)在 DFM(Design for Manufacturability）或 DTCO ( Design and Technology Co-oplimization)中發(fā)擇著巨大的作用。

光刻成像物理仿真是指利用 Abbe 成像模型，通過依次計算掩模衍射、光瞳調(diào)制、干涉成像，仿真最終光刻效果的技術(shù)。其中，光刻機的各項技術(shù)參數(shù)（如離焦、波像差、偏振等）、光刻膠的光學(xué)參數(shù)（如膜系構(gòu)成、各層的折射率和吸收系數(shù)等）都表達在一個統(tǒng)一的瞳面方程中，用于計算光瞳調(diào)制效果。將各項工藝參數(shù)（如光化學(xué)反應(yīng)參數(shù)、顯影參數(shù)等）加載到光刻膠上的空間光強分布中，從而計算出最終的工藝效果。在光刻機的開發(fā)過程中，光刻成像物理仿真可用于設(shè)備參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化，指導(dǎo)性能調(diào)試；在光刻工藝的開發(fā)過程中，光刻成像物理仿真常用于確定量產(chǎn)工藝的設(shè)備、工藝初始參數(shù)配置，并在配置參數(shù)的優(yōu)化過程中進行光刻效果的趨勢分析。

光學(xué)鄰近效應(yīng)校正（OPC）技術(shù)是一種用于修正光刻后圖形缺陷和變形的光刻增強技術(shù)，也是目前在集成電路制造中廣泛應(yīng)用的分辨率增強技術(shù)。當(dāng)半導(dǎo)體器件最小線寬接近光源波長時，由于光學(xué)鄰近效應(yīng)的影響，光刻后轉(zhuǎn)移到硅片上的圖形相對掩模版的圖形存在變形和缺陷，如尺寸縮短、線頂端縮短、邊角圓化等，而且這種效應(yīng)隨工藝節(jié)點的微縮越來越嚴(yán)重。光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)使用計算機仿真計算修改掩模版圖形，使得轉(zhuǎn)移到硅片上的圖形逼近目標(biāo)圖形。

OPC 技術(shù)的原理是，將光刻形成的最終圖形與設(shè)計圖形進行對比，對因鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生的圖形缺陷和變形在掩模版制作過程中進行相應(yīng)的補償，并建立補償規(guī)則庫或補償模型。在更先進的技術(shù)中還要考慮刻蝕的影響，經(jīng)過多次的補償?shù)?，使得最終在晶圓上形成的物理圖形與設(shè)計圖形或目標(biāo)圖形盡量接近，以保證器件和電路的正常工作。建立補償規(guī)則庫的方式被稱為基于規(guī)則的 OPC (Rule-based OPC)技術(shù)，一般應(yīng)用于0.18um 及之前的技術(shù)代；建立補償模型的方式被稱為基于模型的 OPC (Model-based OPC)技術(shù)，一般應(yīng)用于 0.13um 及之后的技術(shù)代。

光源-掩模協(xié)同優(yōu)化技術(shù)采用類似于光線追蹤算法的思路，從需要成型的目標(biāo)圖像進行反推計算，以獲得所需的最佳掩模版圖形和光源配置方案。該技術(shù)利用精確的成像模型，計算不同光瞳填充參數(shù)及掩模版圖修正量下的光刻成像效果，通過對光瞳填充參數(shù)及掩模版圖的優(yōu)化調(diào)整，增大光刻工藝窗口。在實施過程中，光刻成像物理仿真技術(shù)及光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)被結(jié)合使用，分別對光曈填充參數(shù)及掩模版圖修正量對最終光刻效果的影響，通過多次迭代，得到總體最優(yōu)的光瞳填充參數(shù)及掩模版圖修正量，在提高光刻成像對比度的同時，補償圖形失真，最終增大光刻工藝窗口。

計算光刻的發(fā)展使得現(xiàn)有的深紫外浸沒式光刻機極限能夠突破業(yè)界此前的預(yù)測。目前看來，至少可滿足 14~10um 技術(shù)代的光刻需求，為 EUV 光刻技術(shù)更為成熟爭取了時間。計算光刻技術(shù)提高了光刻工藝的分辦率及圖像保真性，但也給電路設(shè)計帶來了更多限制，使得設(shè)計規(guī)則 （Design Rules），更為復(fù)雜。此外，計算光刻在集成電路制造技術(shù)研發(fā)過程中的計算量非常大，需要用到大量的EDA 軟件和 CPU 硬件資源，為了開發(fā)一代 14nm 以下節(jié)點的工藝技術(shù)，制造企業(yè)必須建立一個類似超級計算中心的計算光刻平臺。