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　　什么是相移掩模？

　　先進(jìn)相移掩模(PSM)制造是極大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝之一。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)尺寸(CD)為0.18μm時(shí)，就必須在掩模關(guān)鍵層采用OPC (光學(xué)鄰近校正)和PSM (相移技術(shù))。

　　一般二元掩模由于圖形邊緣散射會(huì)降低整體的對(duì)比度， 無(wú)法得到所需要的圖形。

　　通過(guò)相位移掩模(PSM)技術(shù)可以顯著改善圖形的對(duì)比度，提高圖形分辨率。

　　相移掩模技術(shù)是IBM 公司研究實(shí)驗(yàn)室Marc D．LevenSon等人于1982年提出來(lái)的一種新型掩模技術(shù)。

　　其基本原理是利用通過(guò)不帶相移層區(qū)的光線和通過(guò)帶相移層區(qū)(移相器、光線相位產(chǎn)生180°的移動(dòng))光線之間因相位不同產(chǎn)生相消干涉，從而改變了空間的光強(qiáng)分布，實(shí)現(xiàn)了同一光學(xué)系統(tǒng)下的倍增分率的提高，提高的幅度近一倍。原理如下圖所示。

　　相移層(相移器)是一層透明的薄膜，它的功能是使通過(guò)它的光線發(fā)生相位移動(dòng)，相位移動(dòng)的相位值與膜厚、薄膜材料的折率和入射光線的波長(zhǎng)具有相關(guān)的函數(shù)關(guān)系：T=入／2 (n+cosθ)。實(shí)用的相移器必須保證入射光線產(chǎn)生180°的相位移動(dòng)。

　　根據(jù)上述關(guān)系式，只要相移器的膜厚滿足T=λ／2 (n-1)條件時(shí)。通過(guò)相移器的光線正好產(chǎn)生180°的相位移動(dòng)。因而制備相移膜并且精確地控制膜厚是制造相移掩模工藝中的技術(shù)難點(diǎn)之一。

　　當(dāng)1982年Marc D．Levenson等人提出相移掩模技術(shù)時(shí)， 由于一些技術(shù)難點(diǎn)難以達(dá)到實(shí)用化，未能引起人們對(duì)它的注意和重視。最近幾年由于集成電路發(fā)展對(duì)半亞微米和深亞微米光刻技術(shù)的強(qiáng)烈要求，以及相移掩模技術(shù)獲得重大的突破，達(dá)到了實(shí)用化的水平，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了多種設(shè)計(jì)和制作相移掩模的工藝技術(shù)，出現(xiàn)了各具特色和優(yōu)點(diǎn)的相移掩模工藝方法和產(chǎn)品。

　　相移掩模是在一般二元掩模中增加了一層相移材料，通過(guò)數(shù)據(jù)處理、電子束曝光、制作二次曝光對(duì)準(zhǔn)用的可識(shí)別標(biāo)記、二次曝光、顯影、刻蝕，并對(duì)相移、缺陷等進(jìn)行分析和檢測(cè)，確保能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　先進(jìn)掩模制造的基本流程

　　先進(jìn)掩模制造的基本流程為：先將設(shè)計(jì)完成的電路設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)處理，轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)圖案；設(shè)計(jì)圖案通過(guò)專用設(shè)備如電子束曝光機(jī)，將圖案曝光至涂有感光材料的掩?；褰橘|(zhì)上

　　(通常是表面涂有金屬鉻、相移層的石英玻璃板)；

　　然后經(jīng)由顯影、千法刻蝕等過(guò)程使圖案精確地定像在掩模基板介質(zhì)上，經(jīng)清洗、檢測(cè)后處理等再涂膠，經(jīng)第二次曝光后顯影、對(duì)相移層進(jìn)行干法刻蝕、相位角檢測(cè)等多個(gè)步驟最終形成先進(jìn)相移掩模。

　　先進(jìn)相移掩模實(shí)際上是一種特殊的光學(xué)“模具”。

　　在極大規(guī)模集成電路工藝加工過(guò)程中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)必須先轉(zhuǎn)換成掩模，再利用這種模具用光刻的方式將圖形轉(zhuǎn)移到圓片上，經(jīng)圖形多次疊加后形成一個(gè)完整功能的極大規(guī)模集成電路芯片。

　　將設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)換到掩模上是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而且每一個(gè)集成電路芯片需要一套專門定制的掩模。

　　形象地說(shuō)，掩模制造與芯片制造的關(guān)系可簡(jiǎn)單理解為照相與沖洗的關(guān)系，掩模的作用就類似于底片一一沖洗系統(tǒng)通過(guò)對(duì)底片復(fù)印，可得到相片；芯片制造系統(tǒng)對(duì)掩模進(jìn)行多次曝光、刻蝕，可得到芯

　　片電路。不同的是一張照片只需一張底片，而一個(gè)芯片電路需要6-30塊先進(jìn)相移掩模。

　　相移掩模(PSM)技術(shù)

　　技術(shù)發(fā)展概述和基本原理

　　先進(jìn)掩模制造技術(shù)與極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)同步發(fā)展，當(dāng)集成電路制造主要采用光學(xué)光刻技術(shù)時(shí)，為了解決高分辨率和高產(chǎn)率的矛盾，經(jīng)歷了許多次變革。

　　光刻機(jī)曝光光源的波長(zhǎng)經(jīng)歷了436nm(G—line)、356nm(I-line)、248nm(KrF)和l93nm(ArF)的發(fā)展過(guò)程，分辨率從1μm發(fā)展到今天的65nm，其產(chǎn)率從每小時(shí)20片(100mm硅片)發(fā)展到每小時(shí)100片(300mm硅片)。

　　為了延展光學(xué)光刻的生命周期，掩模制造技術(shù)也采用OPC (光學(xué)鄰近校正)和PSM(相移技術(shù))，以滿足在集成電路制造中光學(xué)光刻對(duì)掩模的要求，并能實(shí)現(xiàn)圖形在圓片上的再現(xiàn)和批量生產(chǎn)。

　　當(dāng)圓片生產(chǎn)達(dá)到0.18μm時(shí)就必須在關(guān)鍵層采用OPC或PSM技術(shù)，OPC技術(shù)可以修正光學(xué)臨近效應(yīng)，但是卻無(wú)法改善圖形對(duì)比度。

　　由于圖形邊緣散射會(huì)降低整體的對(duì)比度，使得光刻膠圖形不再黑白分明，包含了很多灰色陰影區(qū)，無(wú)法得到所需要的圖形。然而利用圖形邊緣的干涉抵消，通過(guò)相移掩模可以顯著改善圖形的對(duì)比度。

　　相移掩模(PSM)技術(shù)是在一層版上生長(zhǎng)兩種材料涂上膠，第一次曝光后對(duì)第一層材料進(jìn)行顯影、腐蝕、檢驗(yàn)、清洗后再涂膠進(jìn)行第二次曝光，然后對(duì)第二層材料進(jìn)行顯影、腐蝕、檢驗(yàn)、清洗。隨后進(jìn)行各種相應(yīng)檢查，包括相位角測(cè)量、缺陷檢測(cè)、顆粒檢測(cè)、圖形完整性檢測(cè)等。

　　由于PSM掩模需要進(jìn)行兩次曝光，不僅要求能夠更加精確地控制套刻精度，而且周期較長(zhǎng)，控制難點(diǎn)較多。

　　PSM 的主要技術(shù)要點(diǎn)為相移掩模條寬(CD)控制技術(shù)、相移掩模缺陷控制技術(shù)、相移掩模相位角控制技術(shù)、相移掩模套準(zhǔn)控制技術(shù)。

　　制造相移掩模的類型和方法

　　目前制造相移掩模的類型和方法有如下幾種：

　　1、L e v e n S O n 方式或稱交替反相型(Alternating)；

　　2、邊緣增銳方式，具體包括自對(duì)準(zhǔn)邊緣增銳方式(Self-alignment)、移相框邊緣增銳方式(Rim)、輔助窗口邊緣增銳方式(Subresolution)、衰減移相邊緣增銳方式(Attenuated)；

　　3、多位相值臺(tái)階移相方式(Multi—Stage)，具體有三段位相遞變移相方式(Three Step Shifter)、雙位相值移相方式(Two Layer Shifter)、共軛移相器(Conjugate Twin—Shfiter)、多級(jí)抗蝕劑結(jié)構(gòu)(Multi—Level Resist)；

　　4、全透明移相方式(All—transparent；chrom—less)，具體有利用移相器邊緣的“刀刃”效應(yīng)(EdgeM a s k )、亞分辨率微結(jié)構(gòu)移相灰色效應(yīng)(SubResolution)，梳狀過(guò)渡移相器(Comb—ShapedShifter)，基片表面直接移相(Phase—Shifting on theSubstrate)，聚合物結(jié)構(gòu)直接移相(Polymeric ShifterPMMA)。

　　下圖顯示了光學(xué)光刻技術(shù)中在應(yīng)用相移掩模后所獲得的光學(xué)光刻分辨率的提高。

　　關(guān)鍵技術(shù)解析

　　相移掩模(PSM)技術(shù)包括數(shù)據(jù)處理、相移材料曝光工藝處理及第一、二次互套曝光、檢測(cè)等三個(gè)方面。

　　數(shù)據(jù)處理是通過(guò)專用軟件CATS對(duì)客戶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將客戶設(shè)計(jì)的集成電路版圖中的某一層數(shù)據(jù)按采用相移工藝的要求分成兩次曝光的數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳給曝光設(shè)備。

　　電子束或激光圖形發(fā)生器曝光是在相移材料上第一次曝光顯影，腐蝕后，對(duì)第二種材料進(jìn)行第二次曝光時(shí)有一個(gè)對(duì)第一次圖形的精確定位，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理后的第二曝光數(shù)據(jù)進(jìn)行套準(zhǔn)后的第二次曝光的過(guò)程。這就有識(shí)別標(biāo)記的制作和對(duì)標(biāo)記的識(shí)別，以及相應(yīng)的工藝處理技術(shù)。

　　圖形制作后進(jìn)行的檢測(cè)主要是確保已經(jīng)產(chǎn)生相位移，并測(cè)定位移的范圍是否符合工藝規(guī)范。缺陷檢測(cè)與平常沒(méi)有相移材料時(shí)的檢測(cè)不一樣，首先檢測(cè)有沒(méi)有定義缺陷，如果有就要判別是第一層上還是第二層上的，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給缺陷修補(bǔ)設(shè)備進(jìn)行修補(bǔ)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　相移掩模條寬(CD)控制技術(shù)

　　相移掩模的制造流程比較復(fù)雜，制造工序較多， 條寬控制比較困難。同時(shí)又因?yàn)橄嘁蒲谀Ｒ话愣紤?yīng)用于高端掩模，條寬的規(guī)定比較嚴(yán)格。制程條件的動(dòng)態(tài)變化和材料的不穩(wěn)定都會(huì)對(duì)條寬控制帶來(lái)不利的影響。

　　為了避免制程條件變化和材料不穩(wěn)定對(duì)條寬控制帶來(lái)的不利影響，需要改變一次性把條寬調(diào)到位的傳統(tǒng)做法。

　　而需預(yù)留一定的加蝕刻空間，即正常流程過(guò)程中， 如不進(jìn)行加蝕刻動(dòng)作的話，實(shí)際做出的條寬值會(huì)比設(shè)計(jì)值小一些(Space CD)。

　　這樣正常情況下可以通過(guò)加蝕刻來(lái)控制條寬尺寸，而在制程條件或材料穩(wěn)定性變化較大而使實(shí)際條寬變大時(shí)，也可以通過(guò)不加蝕刻而使得產(chǎn)品達(dá)到條寬控制規(guī)格，從而避免產(chǎn)品的報(bào)廢，提高良率。

　　另外對(duì)曝光、顯影、蝕刻設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，使機(jī)臺(tái)的參數(shù)在規(guī)格之內(nèi)也是必要的。此外還要根據(jù)制程和材料變化進(jìn)行參數(shù)的微調(diào)。

　　相移掩模缺陷控制

　　相移掩模的制作周期很長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)的工序比二元掩模要多，這對(duì)相移掩模的缺陷控制提出了特殊的要求。相移掩模制造過(guò)程中的缺陷種類很多，最主要也是最不容易控制的是微粒問(wèn)題。為了更好地控制缺陷，提高成品率，必須制訂嚴(yán)格的生產(chǎn)管理?xiàng)l例，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，以及對(duì)生產(chǎn)程序進(jìn)行最大程度的優(yōu)化。

　　按照微粒產(chǎn)生的途徑，基本可以分為6類：

　　1、掩?；灞旧硭鶐У奈⒘?；

　　2、曝光過(guò)程中掉落；

　　3、顯影過(guò)程中掉落；

　　4、蝕刻過(guò)程中掉落；

　　5、涂膠過(guò)程中掉落；

　　6、兩次曝光、顯影蝕刻過(guò)程中掉落。

　　按微粒不同的來(lái)源又可分為材料問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題(無(wú)塵室大環(huán)境、操作區(qū)域、工作臺(tái)區(qū)域等等)、人員操作問(wèn)題、設(shè)備問(wèn)題等4個(gè)方面。

　　在相移掩模的制作過(guò)程中，由于條寬尺寸(CD)很小，圖形復(fù)雜負(fù)載很大，如果造成缺陷很難修補(bǔ)。

　　所以對(duì)操作環(huán)境有特殊的要求， 如在曝光或顯影蝕刻時(shí)必須進(jìn)行人員清場(chǎng)，以減少人員的影響；盡量減少人員和掩模的接觸，使用清潔的工具來(lái)操作；

　　對(duì)無(wú)塵室環(huán)境定期進(jìn)行清潔。另外高端產(chǎn)品因?yàn)橹谱髦芷谳^長(zhǎng)，其在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該有機(jī)臺(tái)的優(yōu)先使用權(quán)；對(duì)重要的產(chǎn)品(PSM)加掃涂光刻膠前的檢驗(yàn)即(Before coat inspection)，這樣可以盡快知道產(chǎn)品的缺陷狀況，如有問(wèn)題可以盡快找出原因所在并排除故障；特別對(duì)于高端產(chǎn)品應(yīng)該有專門的工程技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，確保其生產(chǎn)順利。

　　相移掩模相位角的控制

　　相移掩模相位角的控制與以下三個(gè)方面有關(guān)：

　　1、材料：相移掩模基板相移層的厚度直接決定了相位偏移度數(shù)，達(dá)到理想的相位偏移需嚴(yán)格控制其度數(shù)。

　　2、干法蝕刻：對(duì)相移層干法蝕刻的時(shí)間直接決定了初始的相位偏移，因?yàn)橹笙嘁蒲谀＿€需經(jīng)過(guò)多次清洗，一般初始的相位偏移要大于規(guī)格值。

　　3、清洗：因?yàn)橄嘁蒲谀Ｔ诮?jīng)過(guò)清洗時(shí)，相移層金屬會(huì)與氨水發(fā)生氧化、絡(luò)合反應(yīng)，會(huì)造成相位角度數(shù)的下降。