先進(jìn)相移掩模（PSM）工藝技術(shù)

彭 力，陳友篷，尤 春，周家萬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

先進(jìn)相移掩模（PSM）工藝技術(shù)

彭 力，陳友篷，尤 春，周家萬

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

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0.18 μm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)降低整體的對比度，無法得到所需要的圖形。通過相位移掩模（PSM）技術(shù)可以顯著改善圖形的對比度，提高圖形分辨率。相移掩模是在一般二元掩模中增加了一層相移材料，通過數(shù)據(jù)處理、電子束曝光、制作二次曝光對準(zhǔn)用的可識(shí)別標(biāo)記、二次曝光、顯影、刻蝕，并對相移、缺陷等進(jìn)行分析和檢測，確保能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

相移掩模；電子束曝光；相位角分析；缺陷檢測

1 引言

掩模，又稱光掩模，也稱光罩（Photomask），在極大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中，先進(jìn)相移掩模是連接設(shè)計(jì)端與工藝制造端的紐帶和橋梁，若沒有先進(jìn)相移掩模，芯片設(shè)計(jì)完后圓片生產(chǎn)線也無法制造出芯片。先進(jìn)相移掩模在極大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)鏈所處的位置如圖1所示。

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模基板介質(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、干法刻蝕等過程使圖案精確地定像在掩?；褰橘|(zhì)上，經(jīng)清洗、檢測后處理等再涂膠，經(jīng)第二次曝光后顯影、對相移層進(jìn)行干法刻蝕、相位角檢測等多個(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)雜的過程，而且每一個(gè)集成電路芯片需要一套專門定制的掩模。

由于極大規(guī)模集成電路的集成度越來越高，其芯片的加工制造都是經(jīng)過一層一層疊加來完成，每一層工序都需要其獨(dú)特的掩模。一個(gè)功能完整的芯片電路復(fù)雜的高達(dá)30層或更多，因此先進(jìn)相移掩模制造環(huán)節(jié)是產(chǎn)業(yè)鏈中造價(jià)最高的一部分，同時(shí)由于掩模的精確度直接決定了芯片制造的精確度，所以先進(jìn)相移掩模制造也是限制最小線寬的重要環(huán)節(jié)。

形象地說，掩模制造與芯片制造的關(guān)系可簡單理解為照相與沖洗的關(guān)系，掩模的作用就類似于底片——沖洗系統(tǒng)通過對底片復(fù)印，可得到相片；芯片制造系統(tǒng)對掩模進(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。

2 相移掩模（PSM）技術(shù)

2.1 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)曝光光源的波長經(jīng)歷了436nm（G-line）、356nm（I-line）、248nm（KrF）和193nm（ArF）的發(fā)展過程，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0.18 μm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)，但是卻無法改善圖形對比度。由于圖形邊緣散射會(huì)降低整體的對比度，使得光刻膠圖形不再黑白分明，包含了很多灰色陰影區(qū)，無法得到所需要的圖形。然而利用圖形邊緣的干涉抵消，通過相移掩?？梢燥@著改善圖形的對比度。

相移掩模（PSM）技術(shù)是在一層版上生長兩種材料涂上膠，第一次曝光后對第一層材料進(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，包括相位角測量、缺陷檢測、顆粒檢測、圖形完整性檢測等。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，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)。

先進(jìn)相移掩模制造技術(shù)與極大規(guī)模集成電路工藝加工技術(shù)密切相關(guān)，工藝加工技術(shù)發(fā)展速度基本代表了先進(jìn)相移掩模制造技術(shù)的發(fā)展速度，但后者很大程度上制約了前者。

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年提出來的一種新型掩模技術(shù)。其基本原理是利用通過不帶相移層區(qū)的光線和通過帶相移層區(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。原理如圖2所示。

相移層（相移器）是一層透明的薄膜，它的功能是使通過它的光線發(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具有相關(guān)的函數(shù)關(guān)系：T=λ/2（n+cos θ）。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，未能引起人們對它的注意和重視。最近幾年由于集成電路發(fā)展對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。在近幾年200mm和300mm晶圓生產(chǎn)中大量采用相移掩模（PSM）技術(shù)，在0.18 μm～65nm光刻時(shí)相移掩模（PSM）能滿足相關(guān)工藝的要求。據(jù)VLSI研究資料顯示，在一段時(shí)期國際上掩模產(chǎn)品主要在180nm至65nm之間。

2.2 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）Leven Son方式或稱交替反相型（Alternating）；

（2）邊緣增銳方式，具體包括自對準(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）、多級抗蝕劑結(jié)構(gòu)（Multi-Level Resist）；

（4）全透明移相方式（All-transparent;chromless），具體有利用移相器邊緣的“刀刃”效應(yīng)（Edge M a s k）、亞分辨率微結(jié)構(gòu)移相灰色效應(yīng)（SubResolution），梳狀過渡移相器（Comb-Shaped Shifter），基片表面直接移相（Phase-Shifting on the Substrate），聚合物結(jié)構(gòu)直接移相（Polymeric Shifter PMMA）。

圖3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。

2.3 相移掩模技術(shù)流程

在分析相移掩模（PSM）資料的基礎(chǔ)上，利用已有設(shè)備和相應(yīng)的材料，在電子束進(jìn)行第一次曝光時(shí)將相應(yīng)的設(shè)備識(shí)別標(biāo)記制作在掩模上，經(jīng)過工藝處理后進(jìn)行檢查，符合制版要求后用激光圖形發(fā)生器對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次曝光，并對掩模作工藝處理，然后測量檢驗(yàn)及修補(bǔ)，裝膜后作最終測量，符合圓片生產(chǎn)線文件要求的交付生產(chǎn)線測試和使用。

3 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、檢測等三個(gè)方面。

數(shù)據(jù)處理是通過專用軟件CATS對客戶數(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，對第二種材料進(jìn)行第二次曝光時(shí)有一個(gè)對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程。這就有識(shí)別標(biāo)記的制作和對標(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)行的檢測主要是確保已經(jīng)產(chǎn)生相位移，并測定位移的范圍是否符合工藝規(guī)范。缺陷檢測與平常沒有相移材料時(shí)的檢測不一樣，首先檢測有沒有定義缺陷，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)。

3.1 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)對條寬控制帶來不利的影響。

為了避免制程條件變化和材料不穩(wěn)定對條寬控制帶來的不利影響，需要改變一次性把條寬調(diào)到位的傳統(tǒng)做法，傳統(tǒng)做法如圖4所示。

而需預(yù)留一定的加蝕刻空間，即正常流程過程中，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），如圖5所示。

這樣正常情況下可以通過加蝕刻來控制條寬尺寸，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)。

3.2 相移掩模缺陷控制

相移掩模的制作周期很長，經(jīng)過的工序比二元掩模要多，這對相移掩模的缺陷控制提出了特殊的要求。相移掩模制造過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，定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，以及對生產(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＃唬?）曝光過程中掉落；（3）顯影過程中掉落；（4）蝕刻過程中掉落；（5）涂膠過程中掉落；（6）兩次曝光、顯影蝕刻過程中掉落。

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

在相移掩模的制作過程中，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，以減少人員的影響；盡量減少人員和掩模的接觸，使用清潔的工具來操作；對無塵室環(huán)境定期進(jìn)行清潔。另外高端產(chǎn)品因?yàn)橹谱髦芷谳^長，其在生產(chǎn)過程中應(yīng)該有機(jī)臺(tái)的優(yōu)先使用權(quán)；對重要的產(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，如有問題可以盡快找出原因所在并排除故障；特別對于高端產(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。

3.3 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?；逑嘁茖拥暮穸戎苯記Q定了相位偏移度數(shù)，要達(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。

4 技術(shù)研究路線

將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理后經(jīng)電子束進(jìn)行第一次曝光時(shí)，將相應(yīng)的設(shè)備識(shí)別標(biāo)記制作在掩模上，經(jīng)過工藝處理進(jìn)行檢查，符合制版要求，勻膠后再用激光圖形發(fā)生器處理能用的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次曝光，并對掩模作工藝處理，然后測量檢驗(yàn)及修補(bǔ)，裝膜后作最終測量，符合圓片生產(chǎn)線文件要求的交付圓片生產(chǎn)線測試和使用。技術(shù)路線流程為：客戶數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→電子束曝光→顯影→鉻膜刻蝕→測量一→去膠一→相位移層刻蝕→清洗一→勻膠→二次曝光→去鉻膜→去膠二→測量二→缺陷檢查一→缺陷修補(bǔ)→缺陷修補(bǔ)驗(yàn)證→清洗二→貼膜→缺陷檢查二→包裝出貨。

研制進(jìn)程步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將客戶數(shù)據(jù)和圓片生產(chǎn)線的FRAME數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相移掩模（PSM）數(shù)據(jù)等。

（2）制作工序：電子束曝光設(shè)備和激光圖形發(fā)生器相移掩模（PSM）工藝曝光劑量的選擇和曝光文件的生成等。

電子束曝光、顯影參考工藝如下：

電子束50kV，抗蝕劑用FEP-171，劑量在0.2×10-6·cm-2～2×10-6·cm-2中選擇一組值，特定顯影液，用ASP5500工藝處理設(shè)備顯影大約20min，進(jìn)行后處理，然后進(jìn)入下一步。

（3）檢驗(yàn)工序：檢驗(yàn)設(shè)備（如KLA SLF2X/7X）參數(shù)的選擇和確認(rèn)等。

（4）保護(hù)膜安裝：最終清洗后進(jìn)行保護(hù)膜儀器參數(shù)的選擇和保護(hù)膜安裝。

（5）出廠檢驗(yàn)：相移掩模（PSM）出廠的規(guī)格檢查按以下掩模檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

先進(jìn)掩模檢測標(biāo)準(zhǔn)（單位μm）：

（1）設(shè)計(jì)CD：0.13；相移掩模CD：0.13±0.02；CD平均值：±0.015；套準(zhǔn)（與第一層）：±0.03；缺陷尺寸：＜0.2；相位角（PSM）：180±3°；相移誤差：±3%；微?？刂迫绫?所示。

（2）設(shè)計(jì)CD：0.18；相移掩模CD：0.18±0.03；CD平均值：±0.03；套準(zhǔn)（與第一層）：±0.04；缺陷尺寸：＜0.25；相位角（PSM）：180±3°，相移誤差：±3%；微?？刂迫绫?所示。

5 結(jié)束語

本文對先進(jìn)相移掩模（PSM）的制造工藝技術(shù)進(jìn)行分析研究，并通過KLA SLF2X/7X、IPRO II、CDSEM等設(shè)備檢測和改進(jìn)掩模工藝參數(shù)，使先進(jìn)相移掩模性能滿足圓片生產(chǎn)線的使用要求。

［1］彭 力，趙麗新. 電子束直寫圓片技術(shù)[J]. 微電子技術(shù)，1999，4：4-8.

［2］李艷秋. 下一代曝光（NGL）技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[R].第十二屆全國電子束、離子束、光子束學(xué)術(shù)年會(huì). 2003.

Advanced Phase Shift Mask Technology

PENG Li, CHEN You-peng, YOU Chun, ZHOU Jia-wan
（China Electronic Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

One of the ULSI manufacture key technology is Advanced Phase Shift Mask technology,When the design CD is 0.18μm,we must utilize the OPC or PSM (phase shifting mask) technology in the key layer mask manufacture. The contrast of binary mask will go to bad for scattering, so we can’t acquire the correct pattern.We can obviously improve the contrast and resolve after utilizing the PSM technology in the mask manufacture.Phase shifting mask is achieved after adding a shift material to the binary mask, then from data preparation,E-beam exposure,adding a secondary exposure mark,secondary exposure,developing,etching.Phase shifting mask can meet to the design aims by analysising the phase shift degrees and defects.

phase shift mask; e-beam exposure; phase shift degree analysis; defect detecting

TN306

A

1681-1070（2010）09-0041-05

2010-08-17

∶彭 力（1958-），男，湖南臨湘人，1982年畢業(yè)于西北電訊工程學(xué)院，現(xiàn)工作于中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，多年來從事掩模工藝技術(shù)研究。