ZT: 可分离性OPC模型加速了计算光刻技术的发展 - ARM训练班

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在低k1光刻中，如果没有采用经光学临近校正OPC的掩模，那么对光刻工艺的整合和认证就显得意义不大。功能强大的可分离性模型可独立地对光学部分和光刻胶部分进行建模，能更快地得到准确的OPC结果，缩短了对光刻设备和OPC进行认证工艺所需的时间。采用确定的RET策略以及按预定的精度进行必要校正，经OPC校正的掩模可以直接用于工艺线新安装的光刻设备上，从而使它能迅速地进入生产阶段。

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

  

  有别于传统的行为集总型模型，分离式光学临近校正（OPC）模型不仅可在整个芯片工艺窗口范围进行表征，通过微调来匹配现有的工艺和曝光设备，也可以在使用新一代曝光设备、光掩模版、光刻胶工艺之前就可以对现有的工艺进行优化。

  在本文中，我们将对多组数据进行评估，以表明Tachyon FEM（聚焦和曝光矩阵）能够对光学部分和光刻胶部分独立地进行建模，在它的光学模块中可以直接输入实际的照明光源分布及其聚焦和曝光量。对实验硅片的光刻结果表明，对某个光学设置进行过校正的FEM模型可以外推应用到其他完全不同的光学设置中，对其校准精度的预测具有相当的准确度。

  <strong>OPC</strong><strong>模型</strong>

  模型化的OPC推动了计算光刻技术的发展，以满足从90nm到20nm及其以下工艺中对整个芯片上CD均匀性（CDU）的要求。由于未来对CDU的目标要求会更加苛刻，对整个芯片级的光刻性能优化将会变得非常重要和极其必要。针对现有工艺进行校准的模型化OPC，就必须在整个芯片级的CD校正和认证上提供可靠的精确度。

  通常的OPC模型仅仅局限在所校准的光学和光刻胶的状况，每次任何一个光学设置发生改变，这种模型就要重新进行校准。为了能够在采用现有涂胶工艺情况下对即将采用的新一代曝光设备预先进行光刻工艺的表征，就需要一个完全分离型的光刻模型。因此，光刻胶、成像设备和掩模模型都必须相互独立，这样才可使现有的光刻胶和掩模模型能与新一代光学配置模型相结合。
在实际的生产中，在当前45nm节点工艺中要校正一个可靠的OPC模型是非常耗费时间的。采用一个模型校正测试掩模板来曝光硅片可以加快进度（小于一个小时），但随后进行的下列两个步骤依然是个很麻烦的事情：

  （1）要用SEM进行几千次的CD测量工作，还要在整个工艺窗口范围中提取二维的图形数据，随后还要：

  （2）耗费很大精力去“整理”大量的测量数据。

  上述步骤即使不花上几个月，也要好几个星期，但是如果能使用强有力的计算机硬件，实际的OPC模型校正只需要几天就能完成。毫无疑问，总的校正过程在当今天快节奏的生产发展周期中占据了过多的时间。如果校正工作需要重复更多次数的话，情况会变得更为糟糕。但如果能采用新一代的分离化模型，就可以在几分钟内产生一个高可靠的校正模型。

图1. a）一个直线图形的模拟成像；b）将a图中红色窗口部分进行局部放大，表明在采用256个以上的Hopkins TCC条件下可与Abbe计算分析结果吻合良好；c）两种方法对不同节距的CD都有着很好的匹配性。


图2. FEM基础模型的性能。通过比较整个工艺窗口范围的CD均方根误差设定值（黑色）和预测值（红色）来评估模型的性能。


图3. 实际照明光源分布（红色）与参数化设置（蓝色）相比，模型的精度得到了改进。

  <strong>可分离的</strong><strong>OPC</strong><strong>模型</strong>

  可分离模型的优势在于其中每一个模块都能够更加全面地反映该级别的物理和化学性质，从而提高了它们的精确性和可靠度。在获得实际的硅片数据以及新设备之前它就具有更多、更为强大的应用，比如能够对低k1成像做早期的确认、对扫描式光刻机的进行匹配及表征、对现有生产工艺的快速适应及微调，这些应用的结果将能改进产品的良品率和更快地将产品推向市场。

  在本文中，我们将讨论如何建立可分离的模型，以及如何使用对整个芯片进行表征的FEM校正技术[1-8]，并且仅使用一组FEM实验数据来对一个基本模块进行校正。在改变光学条件时，无须使用任何硅片数据就可以很快生成多组模型。然后由这些模型可以产生对CD的预测并与相应的硅片上CD测量结果进行比较。为了论证可分离模型的性能，我们将经校正基本模型产生的CD均方根（RMS）误差与那些未经硅片校正模型产生的CD均方根（RMS）误差进行了比较，实际不同的照明光源分布的模拟结果证明了该模型在精确性方面的改进。

  <strong>可分离模型建立</strong>

  对于一个可分离的模型而言，物理过程中某一部分的变化只应会影响该模型的相应部分。比如说，采用环状照明校准的模型在应用于其他类型照明时也应该能准确地进行预测。在光刻工艺的三个层面（掩模版、光学系统和光刻胶）上，对每一模型模块的根本的物理特性与其主要的物理效应结合得越为紧密，则整个模型的可分离性将会越好。

图4. 模型可分离性试验评估中光刻胶 CD RMS误差总结。在四种曝光条件下对硅片的测量不是用于模型的拟合，而只是用来进行模拟数据的比较。

  光学模型的实现需要遵循基本原理和严格的光学成像理论。必须尽可能地减小残余的拟合误差，以防止它不必要地耦合到光刻胶的模型中。Hopkins传输交叉系数（TCC）常被用来描述OPC中的部分相干成像的形成过程。为了得到最好的结果，需要多达256个的TCC条件才能与Abbe方法计算分析的图像相吻合（图1）。对于低k1成像，在光学邻近计算中采用较大的界限半径（3-4μm）可以更好地获得可以接受的精确度。一些重要的物理效应，比如照明光源的分布、用Jones Pupils表示的偏振度及成像透镜的波阵面像差等都需要包括在内，才能代表实际扫描型光刻机的光学特性。

  光刻胶模型需要进行物理上的改动，并且应该能与实际经验进行很好的校准。为了进行矢量成像，要计算光刻胶中的空间像平均值以及空间像的分布。光学模型能很好地预测变化的趋势，但我们也需要一个有效的光刻胶模型来准确地预测CD、分辨率、工艺窗口和邻近效应。

  采用现有的光刻胶模型，只要简单地改变模型的光学部分，就能够实现对即将到来的低k1成像技术、扫描型光刻机匹配、RET/OPC的参数以及设计规则等问题的处理。由于事先就能进行准备工作，在第一时间就获得准确模型的可能性就大为提高，这样就可缩短整个工艺的研发和认证周期，加速RET/OPC掩模版数据带的产生过程，以更快地将产品推向市场。

  可分离式模型是具有预测性。该模型通过约束性FEM形式对对一组有限的图形规格和形状的CD采样来进行校准。该模型预计在整个工艺窗口范围内


对整个芯片布局获得相同水准的精确度。图2通过比较CD误差均方根的设定值（黑色）和预测值（红色）显示了模型的这种性能。

  <strong>实验评估</strong>

  为了评估模型的与Tachyon相关的可分离性，我们已在位于Veldhoven的IMEC的ASML演示实验室以及Albany研究中心进行了一些晶圆光刻试验。利用先前所描述的建模和校正方法，我们对光刻胶CD RMS误差的预计值和实际晶片上的测量值进行了比较，以检测可分离式模型模拟实际硅片光刻的性能。所获得的数据表明，当采用实际的照明光源分布时，相对与早期的参数化模型而言，该模型在预测结果的能力上，以及在如何从一个设定的基础模型来处理不同NA和照明状况的能力上都有了很大的性能提升。对涵盖掩模的三维形貌效应和Jones Pupil计算的最新扫描型光刻机设备的进一步报告将会随后公布。


图5.相同环形照明光源下的NA研究（σi/σo =0.64./0.90）: a）NA=1.15的基础模型；b）NA分别采用1.1 and 1.2的模型。


图6. 相同NA=1.15下的照明研究：a）采用 0.64/0.90环状照明光源设置的基础模型；b）采用不同的0.59/0.85环状照明光源设置和采用0.64/0.90类星体状照明光源设置的模型。

  图3显示了当用实际照明光源分布（红色）来替代参数化设置（蓝色）后，我们在提高模型精度上所获得的结果。每个测试案例中，采用照明光源分布的CD RMS误差始终较小。因为模型具有可分离性，基础模型（图3左侧）和其他没有进行拟合模型之间在RMS偏差上都在亚纳米范围。
图4总结了实验条件以及对经拟合的基础模型和实验测量获得的CD RMS误差的结果。实验中所用的曝光设备是ASML 1700i。所有曝光均采用相同的光刻胶工艺。基础模型以NA=1.15和采用环形照明（σi/σo = 0.64/0.90）进行拟合；拟合模型中光刻胶 CD RMS误差为0.95nm。利用基础拟合模式，我们分别采用两种不同的NA和照明设置来研究模型的预测能力。NA的实验设置分别是1.1和1.2，采用相同的基础模型环形照明。而对于照明光源试验，一种采用的是环形照明（σi/σo = 0.59/0.85），另一种则是类星体quasar状照明（σi/σo/degree = 0.64/0.90/30），NA参数值与基础模型相同均为1.15。没有使用任何的硅片数据来对新模型进行校正。

  如使用基础模型，并在NA=1.15条件下进行校正来对相同环状照明条件下两种不同NA设置（1.1和1.2）进行研究，用均方根误差RMS形式来表征模型对光刻胶CD的预测性能，其CD的预测值和测量值分别是1.07nm和0.96nm。如果NA设置均为相同的1.15，但是采用了不同的光源（另一个环形光源和一个类星体quasar-30照明光源，模型预测的均方根误差RMS分别为1.07nm和1.28nm。与0.95nm的基础模型均方根RMS误差相比，其差异保持在亚纳米范围内。
图5显示了三个NA设置时在不同节距情况下的CD的均方根RMS误差散点图，并将在NA=1.15进行校正的基础模型的误差趋势与NA设置为1.1和1.2的预测值进行了比较，三幅图均采用了图4所提到的采用了相同的环状光源。所有节距设置的下的RMS误差的变化趋势极为相似，都为亚纳米级，这是可分离性模型具有良好性能的又一个证据。图6为类似的散点分布图，该图是对一种照明光源进行校正的基础模型的误差预测值与其他两种不同照明光源设置下的模型预测误差值进行了比较，三者都采用相同的NA值为1.15（见图4）。该模型在整个节距范围内的误差变化趋势相互符合得都非常好，预测值与拟合值的RMS差值均在亚纳米范围内。