通过采用光学接近校正(OPC)和相移掩模(PSM)等技术,集成电路设计和制造业向0.18微米及更小特征尺寸推进的速度加快了,但是在采用新技术的过程中如果应用不当,设计小组将遇到流片成本很高和周转时间漫长等问题。本文就以联电(UMC)与Numerical Technologies公司的实际应用案例为研究对象,说明怎样才能让先进的掩模技术更快地投入生产。
随着半导体行业的发展,向0.18微米及更小特征尺寸推进的速度正在加快,因而对设计到制造流程的各个环节正产生深刻的影响。由于IC的特征尺寸小于现有光刻设备的波长,这使得光学接近校正(OPC)和相移掩模(PSM)等技术的采用成为必然选择。而这些技术的采用必然会带来庞大的数据文件,这会影响光罩设备的成本和周转时间,并给掩模检查带来困难。例如,过去掩模上每个额外的特征都会被认为是掩模缺陷,采用OPC之后,在掩模检查的过程中,必须考虑各个额外特征是否确实是一个缺陷。如果处理不当,设计小组将会受到流片成本高昂和周转时间漫长等问题的困扰。
在采用亚波长技术方法来缩减掩模成本和周转时间方面,联电(UMC)与Numerical Technologies公司为克服这一挑战开展了深入协作,本文就以这两家公司采用Virtual Stepper软件产品来改进掩模鉴定过程的实际案例为研究对象,说明怎样才能让先进的掩模技术更快地投入生产。
亚波长需求对掩模制造的影响
近年来,掩模缺陷的分析和处理采用的是一种操作人员介入和自动刻线检查相结合的方法,以定位和修复所有缺陷(图1上部)。这种对掩模质量进行“全部检查、全部修复”的方法在“超波长”条件下工作,针对的是0.25微米以上的特征尺寸。
但是,随着半导体行业现在开始面对100nm和70nm以下亚波长特征尺寸的量产问题,这种方法陷入了困境。光学接近校正和相移技术的采用从根本上改变了作为原来的视觉掩模检查方法基础的“所见即所得”模式。升级到先进检查工具或简单地提高现有工具灵敏度的传统选择也变得不可行了。现在的问题是,检查系统标记出来而在光刻过程中可能并不会印刷到实际流片上的缺陷太多了。对于一种先进的掩模,从一个典型检查系统中输出的多达90%的缺陷都是这种“干扰”缺陷。对这些干扰缺陷进行修复有很大的风险(可能会增加更多的缺陷),此外还有时间的消耗、代价高昂等问题。掩模制造商和晶圆厂可以自行尝试解决这些问题,但如果没有一种高效管用的工具来帮助评估亚波长光刻的效果,它们很难成功。
一种全新的方法
UMC很早就明白,解决这个问题需要一种全新的方法。为了加强与其供应商之间的联系并精简其光罩过程,UMC与Numerical开展合作以共同确定一种基于仿真的掩模缺陷鉴定方法。
Numerical于2000年12月首次在亚波长相关技术项目上与UMC开展合作。那一次,UMC获得了Numerical相移专利技术的授权,利用这项技术在自己的0.13微米MPU制造工艺中生产70nm特征尺寸的产品。2001年2月,双方开展了一个试验项目,在Virtual Stepper的基础上开发一套基于仿真的掩模缺陷检查和鉴定设备,应用于大规模量产环境。在这个联合开发项目下,Numerical与UMC的掩模质量工程小组及其光罩提供商和晶圆生产厂开展了紧密的合作,使该系统具有对包含OPC和相移结构的先进光罩进行处理的能力。双方还计划研究基于Internet的工具,以改善实时检查能力、光罩制造商与晶圆工厂小组之间的通信水平,从而提高总体产能。
基于仿真的掩模缺陷鉴定
新方法要求光罩检查标准建立在最终的晶圆检查结果,而不仅仅是光罩本身之上。在每一个掩模上进行晶圆检查显然成本过高,因此UMC尝试寻找一种易用而精确的仿真工具。Virtual Stepper系统是一种著名的集成光罩鉴定软件,它被选择用来执行仿真,并准确地预测在一系列特定处理条件下哪些掩模缺陷会最后传递到流片上。
在一个最新式的步进器中,Virtual Stepper先进的仿真引擎对光学系统进行仿真。这个工具将掩模检查和复审系统产生的刻线图作为输入,输出的印刷图与将在流片上呈现的模样完全相同。聚焦窗口、幅度缩放曲线等多种过程窗口分析选项可以帮助UMC公司的工作小组对结果进行量化。这个软件灵活的脚本能力允许他们引入不同的检查功能,满足检查和制造过程的需要。
为了执行仿真,Virtual Stepper采用了Numerical公司专有的工艺模型,这个模型考虑了成像系统的波长、衰减因子、数字孔径、相关因子和光罩模式,同时还考虑了棱镜偏差和保护层的影响。同样的技术 (仿真引擎和对校准模型的使用等)也用在Numerical公司所有的亚波长解决方案中。由于设计---流片的整体工艺变得越来越复杂,对错误假设和不一致模型的容差越来越低,这项技术的重要性就更高了。
为了确定仿真的总体准确性,需要对不同掩模类型上的多种缺陷进行彻底的考察。表中列出了对包括二进制强度掩模(BIM)、衰减和交变孔径相移掩模在内的先进光罩所做的一些实验。“检验缺陷鉴定设备”一项显示了UMC公司为在生产环境下评估Virtual Stepper所进行的协作和大量测试。
掩模制造商和晶圆生产厂共享重要的缺陷信息
UMC考察了八种最先进的生产设备的工作过程,这些设备分别位于新竹和台南科技园区。UMC从多家光罩供应商购买了在这些工厂使用的掩模。另外,决策者们可能常常要接触全球的国际客户。因此,新的光罩设备必须执行一种公用的语言和方法,以便所有的掩模制造商和掩模用户都能识别和分享。
Numerical公司的开发小组设计了Virtual Stepper,使通信能以一种准确、快速和一致的方式进行。UMC可以与它的光罩供应商一起工作,确定一个具体的掩模如何在UMC的某种特定设备上工作(针对一种前沿的工艺技术),即使这个掩模暂时还没有交付给晶圆生产厂。同时,这间工厂现在可以尽快地处理有可能对它在一条特定生产线上使用这个掩模的能力产生重大影响的所有缺陷。这会带来成本的节省(通过减少修复工作)和更快的周转时间(通过降低掩模的返回率)。
Virtual Stepper的用户界面使用了标准的网络浏览器。通信功能部件在后台工作,允许UMC的员工和客户(无论在本地还是在世界上其他任何地方)直接访问数据和进行实时协作。该系统提供了在内部网络、互联网和独立模式之间的切换选择。UMC的整个工艺过程都得益于这套新的掩模设备,包括晶圆生产厂和掩模制造商的工程师,以及输入和输出质量控制人员。这项技术尤其方便了希望能够快速访问掩模检查数据的技术专家和需要实时分析缺陷的严重性和修复后的可印性的修复工程师。此外,在掩模制造中/后期,远端客户可以轻松地介入掩模制造过程,提供对掩模调整的实时反馈。
生产中的自动缺陷严重性评定(ADSS)
Numerical的小组开发了ADSS功能,使Virtual Stepper能够方便地用于UMC公司的量产环境。ADSS将缺陷掩模图像与一个参考掩模图像进行比较,考虑由于缺陷引起的晶圆临界尺寸(CD)变化、缺陷工艺窗口的影响、该区域中标准特征的CD偏差容限。然后,用一个从0到10的数值来评定每个缺陷的严重性。通过自动区分真实缺陷和干扰缺陷并确定掩模缺陷对印制图像的影响,ADSS功能降低了对人工介入的需求。这有效地减少了总的缺陷检查时间和制造成本。
UMC公司的小组现在可以访问一组精确的数据并与它的掩模提供商共同作出决策:修复、否定、忽略或放弃一个缺陷。一旦某个干扰缺陷被识别出来之后,就可以有把握地忽略它。在并行地执行仿真时,Virtual Stepper通过将步进器光学装置和工艺知识与刻线检查进行紧密结合,减少了对人工检查缺陷列表的要求。
多方面的改进更增强了Virtual Stepper作为一个生产工具的能力。这个工具现在可以支持多种平台(Windows NT/2000和UNIX)和数据库(MSSQL、Oracle)。系统还支持可伸缩的分布式处理(多处理器和集群),支持面向任务的所有掩模文件格式,因为它允许一边进行掩模检查一边在后台继续执行任务。
模式转换减少了周转时间和成本
通过采用新的方法,掩模厂商现在将使用基于仿真的鉴定工具来进行掩模审查和签发,而UMC等晶圆厂商将使用它们来执行掩模检查、修复和重新鉴定等工作。在晶圆代工厂方面,它们接收到光罩图之后,就将采用掩模制造商控制输出质量的同样步骤和工具(输入质量控制、掩模重鉴定)来执行缺陷分析。这种方法为掩模厂商和掩模用户之间的可靠通信开辟了一个渠道。
从人工介入迈向自动处理是伴随亚波长复杂度的增加出现的必然转变。不过,真正的模式转变是,输出质量保证(OQA)和输入质量检查再也不能分立看待了(如图1所示)。采用新的设备之后,建立在Virtual Stepper的精确仿真所收集到的数据上的OQA决策可以由晶圆厂的OQA检查人员实时访问,因为掩模制造商和晶圆厂的有关人员已经通过紧密合作排除了虚假缺陷并做出了重要的修复决定。新系统可以进行统一的分析,不受操作人员或工作班次轮换的影响。通过采用这种新方法,即使在最终产品输出之前,每个人都能准确地知道所进行的工作是什么,什么时候、由什么人实施,具体参数和工艺要求是什么。
这免除了在掩模制造商和晶圆生产厂之间来回运送光罩造成的时间浪费和可能造成的损坏。更重要的是,返回率的降低也节省了成本。对于掩模制造商来说,掩模的产量提高了,因为它们无需由于不影响流片工艺的缺陷而重做或废弃掩模。从检查的角度来看,Virtual Stepper具有检查人员和光刻工程师的智慧和经验,这就降低了对人员素质和培训的要求,允许有选择性地对检查资源进行部署。最后,Virtual Stepper使由于刻线原因导致晶圆损失的风险降到了最低。
为未来进行协作
UMC在0.18微米及更小尺寸的工艺上为客户生产了大批量的芯片---它们都具有亚波长特征,这使该公司一直在努力将这些工艺的先进掩模快速用于自己的生产线。通过采用Numerical 公司的Virtual Stepper工具,UMC可以在其晶圆生产厂接收到具体的光罩之前就能预测流片的生产结果。UMC希望能从根本上减少将掩模返回给其供应商的次数,从而改善周转时间和获得先进光罩的成本。
作者:W.B. Shieh
UMC
Jason Huang
Numerical Technologies公司
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