用于提高光刻分辨率的光学成像算法的研究

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:728

王国雄a，王雪洁b

（浙江大学a.超大规模集成电路设计研究所；b.城市学院信息与电子工程分院，杭州310027）

摘要：通过对光刻系统中光学成像系统的模拟，提出了改善光刻分辨率的途径以及基于卷积核的计算光强的方法，并介绍了光学系统的传输交叉系数具体计算过程。建立准确描述由于掩模制造工艺、光刻胶曝光、显影、蚀刻所引起的光学邻近效应和畸变所导致的关键尺寸变化的光刻工艺模型，有助于开发由成品率驱动的版图设计工具，自动地实现深亚微米下半导体制造中先进的掩模设计、验证和检查等任务。

关键词：光刻仿真；分辨率提高技术；光学成像

中图分类号：tn305.7文献标识码：a文章编号：1003-353x(2005)09-0024-04

1 引言

光刻技术作为微电子技术微细加工的关键技术，是人类迄今所能达到的精度最高的加工技术。40多年来，光刻技术一直是推动集成电路工业迅速发展的重要技术[1]。

光刻系统的性能可以通过分辨率和景深两个指标来衡量[2]。分辨率w，即光刻系统可以刻出的最小特征尺寸为

式中，na——投影光学镜头的数值孔径；λ——曝光波长；k1——工艺因子，取决于透镜像差和其他多种因素的条件系数。

对于式（1）所得出的最小特征尺寸，其景深dof可由下式给出

式（2）中的条件系数k2，同样根据透镜像差和工艺因素来确定。式（1）说明了提高分辨率有三种方法：减小曝光波长λ、增大数值孔径na和减小k1的值。但根据式（2）可以看到，减小波长、增大数值孔径会减小景深，即是说，提高分辨率是以牺牲景深为代价的，这两者之间是相互制约的。式（1）和（2）中消去na得到

从式（3）中可看出，在参数k1，k2以及分辨率w相同的情况下，波长λ越小，景深越大，通过减小波长，可增加景深。另一个增加景深的方法是减小k1的值，由于dof与k1的平方成反比，故k1的作用是很大的。在光刻过程中，k2是一个由光刻胶所决定的参数，光刻胶一旦选定，k2就是一个固定的值，因此当光刻系统所采用的光的波长一经给定，在w一定的情况下，增大景深的方法是通过减小k1来实现的。通常有几种方法可以提高分辨率，增大景深，即改进光学孔径、光学邻近效应校正、移相掩模、光孔滤波等。

光刻系统通常由照明系统、掩模、光学系统以及涂在硅圆片表面的光刻胶组成。基本结构如图1所示。其中照明系统包括光源、孔径和聚光透镜；掩模可以是二相的铬掩模或移相掩模；而光学系统则是一个投影曝光成像系统。

照明系统的作用是要有效地聚集、对准、过滤光线以保证光线能以均匀照度通过整个掩模。实际上它由除光源外不同的透镜、反射镜、过滤器以及其他光学元件组成。照明系统采用所谓的柯勒照明方法，即光源被放在聚光镜的焦平面上，以保证来自光源的光线从聚光镜出射后成为平行光束，使整个掩模平面能均匀地受到光照。前面已提到，通过减小式（1）中的k1参数可以提高成像分辨率，而景深dof又不会减小。正是由于这个原因，改进的照明系统或者说“离轴”技术已经成为提高亚波长光刻分辨率的一种公认的方法。在这里，主要采用环形或四极环形的照明系统来提高分辨率。

2 光刻过程中光学成像仿真

要开发由成品率驱动的版图优化设计工具，主要研究ic生产过程中掩模经曝光、显影、蚀刻、扩散到片上成型的整个过程，建立起相应的可快速计算的模型来描述上述整个过程。

2.1 光学成像模拟

要研究空间成像（所谓空间像即为照射到硅圆片表面的二维光强）的仿真涉及到包括衍射效应在内的光学现象，特别是傅里叶光学理论(标量及矢量)为投影成像的仿真提供了强有力的物理基础。