臺積電談逆光刻技術(shù)的過(guò)去、現在和未來(lái)

來(lái)源：本文由半導體行業(yè)觀(guān)察編譯自Semiwiki。

逆光刻技術(shù) (IInverse lithography technology：ILT) 代表了過(guò)去二十年來(lái) EDA 最重要的進(jìn)步?！?nbsp; 臺積電的彭丹平（Danping Peng ）在最近的 SPIE 高級光刻 + 圖案化會(huì )議上發(fā)表了這一論斷，他的演講題為《用于 HVM 的 ILT：歷史、現在和未來(lái)》。

本文總結了他富有洞察力的演講的亮點(diǎn)。事實(shí)上，ILT 已經(jīng)提高了以更高的保真度打印晶圓級特征的能力。

ILT 歷史

首先，簡(jiǎn)要回顧設計流片后與掩模制造相關(guān)的步驟：

? 掩模車(chē)間將光學(xué)鄰近校正 (OPC) 或 ILT 算法應用于掩模數據。

? 掩膜數據準備 (Mask data prep：MDP) 將以適合掩碼寫(xiě)入器的格式組合 OPC/ILT 生成的數據。

? 掩模寫(xiě)入已經(jīng)從（基于光學(xué)的）圖案生成光刻膠涂層掩模坯的曝光發(fā)展到基于電子束的曝光?？勺冃螤罟馐?(VSB) 和多光束詢(xún)問(wèn)書(shū)寫(xiě)系統均可用。（稍后會(huì )詳細介紹。）

? 掩膜檢測步驟包括：

? 臨界尺寸 (CD) 計量 (CD-SEM)

? 使用航空影像測量系統（例如，Zeiss AIMS）進(jìn)行掩模審查

? 掩模缺陷修復

然后掩膜進(jìn)入晶圓廠(chǎng)，晶圓級印刷品將經(jīng)過(guò)類(lèi)似的步驟：CD-SEM 尺寸評估、晶圓檢測和缺陷分析。

下圖中突出顯示了對掩模校正算法的需求。

隨著(zhù)晶圓上的打印尺寸隨著(zhù)連續的工藝節點(diǎn)而縮放，圖像的保真度——即目標圖像和打印的晶圓輪廓之間的差異——變得很差。需要更正版圖設計數據。

生成掩模更新的原始方法被稱(chēng)為光學(xué)鄰近校正 (OPC)。（直線(xiàn)）設計數據中的各個(gè)部分以適當的間隔被一分為二，并且通常使用基于規則的算法來(lái)移動(dòng)子部分。在形狀角處添加了矩形襯線(xiàn)——在外角處擴展段，在內角處縮小。（OPC 結果被賦予了不同的名稱(chēng)——例如，“hammerheads”、“dogbones”。）

隨后，OPC 算法將亞分辨率輔助功能 (SRAF) 添加到掩膜碼數據中。這些是與原始設計不同的形狀，其尺寸是有意選擇的，以便不以晶圓光刻膠分辨率打印，但由于設計形狀邊緣的光學(xué)衍射提供適當的（建設性和破壞性）干涉。

如上圖和下圖所示，ILT 算法做出了根本不同的假設，利用曲線(xiàn)掩模數據進(jìn)行校正和 SRAF。下圖說(shuō)明了 OPC 的基于邊緣的性質(zhì)與基于像素的 ILT 算法之間的主要區別。

ILT 的工作原理

Danping用下面兩張圖來(lái)說(shuō)明ILT是如何工作的。下面的第一個(gè)圖是一個(gè)高級流程圖，提供了掩模數據生成和蝕刻后晶圓級計量之間的綜合（理想）迭代循環(huán)。（稍后將詳細介紹這個(gè)完整的循環(huán)。）

下圖提供了有關(guān) ILT 流程的更多詳細信息。兩個(gè)相鄰的形狀用于說(shuō)明。

計算強度的三維表示。計算誤差函數，其中包含構成元素的加權和。每個(gè)權重乘以與計算的打印圖像和跨像素場(chǎng)的硅片目標之間的差異相關(guān)的因子。

誤差函數可能包括來(lái)自各種印刷圖像特征的貢獻：

?標稱(chēng)尺寸（打印到目標的差異）

?建模的三維光刻膠輪廓

?要抑制的目標區域外的像素光強度

?對照明劑量和焦點(diǎn)變化的敏感性

追求迭代優(yōu)化以減少該誤差函數的大小。請注意，上圖提到了基于梯度的優(yōu)化，以減少從模型預測和目標之間的差異計算得出的誤差函數——ILT 與機器學(xué)習方法的相似性很大，正如 Danping 在他的演講的 Futures 部分中強調的那樣。

當前 ILT 的采用和挑戰

在過(guò)去的二十年里，ILT 的采用一直存在障礙。丹平回顧了這些挑戰，以及如何應對這些挑戰。

1. 掩膜寫(xiě)入時(shí)間

與傳統 OPC 方法相比，曲線(xiàn)（基于像素）ILT 掩模數據提供了改進(jìn)的焦深。然而，相應的數據復雜性導致使用可變尺寸光束 (VSB) 技術(shù)寫(xiě)入掩模的電子束****次數大幅增加。

丹平解釋說(shuō)：“當 ILT 最初被追求時(shí)，并沒(méi)有多光束掩模寫(xiě)入器。因此，使用 VSB 系統曝光 ILT 掩膜需要數天時(shí)間?，F在，使用多光束系統，掩模寫(xiě)入時(shí)間基本恒定，大約 8 小時(shí)?！?nbsp; 

請注意，ILT 數據生成應用了“中等約束”以幫助加快速度——例如，SRAF 區域/空間/CD 的最小設計規則，形狀數據曲率的最大限制。

2. ILT 掩碼數據生成時(shí)間

“ILT 的首次采用是由內存代工廠(chǎng)所采用的?！钡て奖硎?。  “他們的布局具有高度重復性，經(jīng)過(guò)精心制作，減少了重復模式的數量?！?nbsp; 

邏輯設計的 ILT 采用速度較慢。丹平詳細闡述了其中的一些挑戰：

?計算運行時(shí)間長(cháng)（“比 OPC 慢 20 倍”）

?曲線(xiàn)邊緣的掩模數據規則檢查技術(shù)滯后

?曝光系統的改進(jìn)提高了圖像分辨率（例如，193 到 193i）和劑量均勻性，降低了 ILT 優(yōu)勢

用于模型生成和誤差函數+梯度計算的 ILT 算法以矩陣運算為主。為了解決運行時(shí)挑戰，ILT 代碼已移植到基于 GPU 的計算資源中。根據 Danping 的說(shuō)法，這提供了“比嚴格基于 CPU 的計算快 10 倍” 。

為了解決掩模數據驗證挑戰，SEMI Curvilinear Task Force 正在研究一種數據表示，該表示將作為模型交換的標準格式。（這也是由與硅光子結構相關(guān)的曲線(xiàn)設計布局數據驅動(dòng)的。）下圖說(shuō)明了新的“規則定義”，它將成為掩模數據檢查的一部分。

丹平就 ILT 相對于曝光系統改進(jìn)的市場(chǎng)機會(huì )提供了以下觀(guān)察，“ILT 可用于從現有工具中榨取更多性能?！?nbsp;  從這個(gè)意義上說(shuō)，ILT 可以擴展現有掃描儀的使用。

丹平分享了一個(gè)預測，“EUV 和 193i 掩模將在 2023 年普遍采用曲線(xiàn)形狀?！?nbsp; （來(lái)源：eBeam Initiative）

ILT 未來(lái)

丹平對 ILT 技術(shù)提出了三個(gè)預測。

1. 采用深度學(xué)習技術(shù)

如上所述，ILT 算法與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法的計算和優(yōu)化技術(shù)有很多共同之處。下圖說(shuō)明了如何采用深度學(xué)習。

“經(jīng)過(guò)訓練的深度學(xué)習模型可用于生成掩膜數據，然后進(jìn)行少量 ILT 迭代。ILT 掩膜數據可以在之前運行時(shí)間的 15% 中獲得?！?，丹平提到。

2. 增加曲線(xiàn)設計數據的使用

除了硅光子結構，在先進(jìn)工藝節點(diǎn)的電路布局中直接使用曲線(xiàn)數據的機會(huì )可能很快就會(huì )被采用。（考慮在 Mn+1 層上使用金屬“跳線(xiàn)”來(lái)改變 Mn 層上長(cháng)信號的布線(xiàn)軌道的情況。）行業(yè)對曲線(xiàn)數據表示的支持將使這種可能性成為可能，盡管它也會(huì )對整個(gè) EDA 工具流程。

3. 指導 ILT 的完整“逆向蝕刻技術(shù)”(IET) 流程

較早的圖顯示了掩模數據生成的“完整循環(huán)”流程，并結合了蝕刻后的結果。與其將 ILT 誤差函數基于抗蝕劑曝光/顯影輪廓的計算模型，不如從最終蝕刻材料圖像模型中導出成本函數，如下圖所示。

（DOM：掩模尺寸；ADI：光刻膠顯影后檢測；AEI：蝕刻后檢測）

為蝕刻工藝構建“數字孿生”模型需要付出巨大努力。然而，全面的掩膜數據到工藝流程優(yōu)化的好處將是巨大的。

總結

ILT 顯然將擴展到其當前（以?xún)却鏋橹行牡模贸绦蛑?。業(yè)界努力支持高效和全面的曲線(xiàn)數據表示標準——包括掩模和設計數據——將有助于加速相應的 EDA 和制造設備的啟用。正如丹平所說(shuō)，“這不是是否使用ILT的問(wèn)題，而是何時(shí)使用ILT以及使用多少層的問(wèn)題?！?/p>