应用于深亚波长光刻的光学邻近校正技术研究

摘要

在摩尔定律的驱动下，集成电路的晶体管密度每两年翻一倍，在保持生产成本不变的前提下，提高电路的性能，降低功耗。在过去的五十多年里，作为集成电路生产中的关键技术，光刻技术的发展成功将晶体管的尺寸从毫米级缩小到了纳米级。光刻光源波长的缩小一直是光刻技术发展的主要手段，然而，其缩小速度远小于集成电路特征尺寸的缩小速度。自从250nm工艺节点开始，光刻技术进入了亚波长光刻阶段——光刻光源的波长大于所要生产的图形的最小尺寸。分辨率增强技术也由此应用而生，以解决光刻过程中发生的图形畸变问题。光学邻近校正技术作为应用最为广泛，最为有效的分辨率增强技术之一，通过对光刻掩模板上图形的修改达到提高光刻保真度的目的。发展到目前，最先进的光刻技术在使用193nm波长的光源生产特征尺寸为22nm/17nm的芯片。生产图形的尺寸只有光源波长的十分之一左右，光刻技术发展进入了一个新的阶段——深亚波长光刻阶段。相应的，深亚波长光刻技术对光学邻近校正也提出了新的挑战和要求——新的设计类型和更高的图形密度，更高的校正效率和校正精度。本文分别针对光学邻近校正中光刻仿真、图形切割和层次结构处理三个步骤提出了新的解决方法，以满足深亚波长光刻的需要。这些新方法被应用于自有的光学邻近校正软件ZOPC中，并成功处理了多个工业界产品。本文的主要内容和创新点概括如下:
　　针对一维版图的快速光刻仿真。在现代集成电路生产过程中，快速平面光刻仿真对集成电路版图优化和光刻系统优化都具有至关重要的意义。随着集成电路生产工艺进入“深亚波长光刻”阶段，一维版图设计规则被广泛研究和采用。本文充分利用光刻系统中光源的部分相干特性和一维图形的特性，提出了针对一维版图的快速平面光刻仿真算法。该方法由一维基元图形查表法、最小查找表及其边缘延伸和无切割的大面积版图仿真组成。仿真结果表明，在保证极高准确性的基础上，相比于传统的快速仿真方法，该方法将查找表的建立时间缩短了95％以上、基本图形的仿真速度提高了48％左右、大面积版图的仿真速度提高了70％以上。
　　面向集成电路功能性和成品率的图形切割方法。随着集成电路特征尺寸的不断缩小，集成电路生产过程中掩模数据量的不断增长，极大的增加了生产成本。应用于掩模版图的光学邻近校正增加了版图的复杂度，是成本增长的原因之一。本文提出了一种全新的切分方式，基于对版图中影响成品率的图形的识别，该切分方法可以在保证关键部位的校正质量的同时，简化校正后版图的复杂度，减少最终掩模版图的数据量。实验结果显示使用该切分方法得到的掩模版图数据量大小只有通过传统方法得到的一半左右，校正时间也减少到了传统方式的四分之一左右。
　　针对阵列式版图和随机逻辑电路版图采用不同策略的混合式层次结构处理方法。随着集成电路技术的不断发展，一套集成电路版图中所含有的图形数量在急速增加，数据量也相应的飞速增长。传统的集成电路设计工具往往将设计版图按照一定的层次结构来储存，通过数据的重用来提高存取速度和处理效率。本文提出了针对阵列式版图和随机逻辑电路中不同的版图特点，采用不同策略的混合式层次结构处理方法。该方法在保证校正精度的前提下，最大限度的减少校正过程中的冗余运算，提高校正效率，降低校正时间，并有效减少了校正后版图的数据量。实验结果显示，与传统的扁平式校正方法相比，混合式层次处理方法可以将校正时间和校正后版图数据量分别减少80％和90％以上。实验和流片结果则双双验证了该方法的准确性。

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摘要

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表格列表

1 绪论

1．1 信息社会与集成电路

1．2 集成电路的生产制造

1．3 光刻技术及其挑战

1．3．1 印刷术和石板印刷术的历史

1．3．2 应用于集成电路生产的光刻技术

1．3．3 光刻技术面临的挑战

1．4 分辨率增强技术

1．4．1 分辨率和焦深

1．4．2 移相掩模技术

1．4．3 离轴照明技术

1．4．4 浸润式光刻

1．4．5 多重成像

1．5 论文的研究内容及创新点

1．6 论文的组织结构

1．7 本章小结

2 光学邻近校正技术

2．1 引言

2．2 光学邻近效应

2．2．1 特征尺寸相关的光学邻近效应

2．2．2 实际版图图形的光学邻近效应

2．3 基于规则的光学邻近校正技术

2．3．1 对各种光学邻近效应的校正方法

2．3．2 规则的匹配

2．4 基于模型的光学邻近校正技术

2．4．1 光刻仿真

2．4．2 图形切割

2．4．3 边的平移校正

2．4．4 层次结构处理

2．5 本章小结

3 一维版图的快速光刻仿真

3．1 引言

3．2 一维版图设计规则

3．3 光刻系统模型

3．3．1 光刻成像系统

3．3．2 部分相干光成像模型

3．3．3 基于卷积核的快速点光强计算

3．4 集成电路版图

3．5 一维版图的快速平面光学仿真

3．5．1 一维基元函数

3．5．2 查找表的建立

3．5．3 大面积版图的光学仿真

3．6 实验结果

3．6．1 查找表建立时间

3．6．2 基本图形仿真比较

3．6．3 大面积版图仿真比较

3．7 本章小结

4 光学邻近校正的切割

4．1 引言

4．2 版图复杂度与掩模板的生产成本

4．3 传统的切割以及整边校正

4．3．1 传统的切割方式

4．3．2 整边校正

4．4 版图中的关键点及其切割策略

4．4．1 晶体管

4．4．2 互连线

4．4．3 通孔

4．5 关键点图形的识别

4．5．1 图形布尔运算

4．5．2 自身图形分类

4．5．3 图形环境识别

4．5．4 完整的基于成品率的切割流程

4．6 实验结果

4．7 本章小结

5 光学邻近校正中的层次结构处理

5．1 引言

5．2 传统的全版图校正方法

5．2．1 扁平化的全版图校正方法

5．2．2 基于单元的光学邻近校正

5．3 混合式层次结构处理

5．3．1 阵列式模块电路的层次结构处理

5．3．2 随机逻辑电路的层次结构处理

5．3．3 混合式版图的层次结构赴理

5．4 实验结果

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读学位期间取得科研成果