來源：電子工程專輯 作者： 時間：2003-02-18 18:38
通過採用光學接近校正(OPC)和相移掩模(PSM)等技術，集成電路設計和製造業向0.18微米及更小特徵尺寸推進的速度加快了，但是在採用新技術的過程中如果應用不當，設計小組將遇到流片成本很高和周轉時間漫長等問題。本文就以聯電(UMC)與Numerical Technologies公司的實際應用案例為研究對象，說明怎樣才能讓先進的掩模技術更快地投入生產。
隨著半導體行業的發展，向0.18微米及更小特徵尺寸推進的速度正在加快，因而對設計到製造流程的各個環節正產生深刻的影響。由於IC的特徵尺寸小於現有光刻設備的波長，這使得光學接近校正(OPC)和相移掩模(PSM)等技術的採用成為必然選擇。而這些技術的採用必然會帶來龐大的數據文件，這會影響光罩設備的成本和周轉時間，並給掩模檢查帶來困難。例如，過去掩模上每個額外的特徵都會被認為是掩模缺陷，採用OPC之後，在掩模檢查的過程中，必須考慮各個額外特徵是否確實是一個缺陷。如果處理不當，設計小組將會受到流片成本高昂和周轉時間漫長等問題的困擾。
在採用亞波長技術方法來縮減掩模成本和周轉時間方面，聯電(UMC)與Numerical Technologies公司為克服這一挑戰開展了深入協作，本文就以這兩家公司採用Virtual Stepper軟體產品來改進掩模鑑定過程的實際案例為研究對象，說明怎樣才能讓先進的掩模技術更快地投入生產。
亞波長需求對掩模製造的影響
近年來，掩模缺陷的分析和處理採用的是一種操作人員介入和自動刻線檢查相結合的方法，以定位和修復所有缺陷(圖1上部)。這種對掩模質量進行「全部檢查、全部修復」的方法在「超波長」條件下工作，針對的是0.25微米以上的特徵尺寸。
但是，隨著半導體行業現在開始面對100nm和70nm以下亞波長特徵尺寸的量產問題，這種方法陷入了困境。光學接近校正和相移技術的採用從根本上改變了作為原來的視覺掩模檢查方法基礎的「所見即所得」模式。升級到先進檢查工具或簡單地提高現有工具靈敏度的傳統選擇也變得不可行了。現在的問題是，檢查系統標記出來而在光刻過程中可能並不會印刷到實際流片上的缺陷太多了。對於一種先進的掩模，從一個典型檢查系統中輸出的多達90％的缺陷都是這種「幹擾」缺陷。對這些幹擾缺陷進行修復有很大的風險(可能會增加更多的缺陷)，此外還有時間的消耗、代價高昂等問題。掩模製造商和晶圓廠可以自行嘗試解決這些問題，但如果沒有一種高效管用的工具來幫助評估亞波長光刻的效果，它們很難成功。
一種全新的方法UMC很早就明白，解決這個問題需要一種全新的方法。為了加強與其供應商之間的聯繫並精簡其光罩過程，UMC與Numerical開展合作以共同確定一種基於仿真的掩模缺陷鑑定方法。
Numerical於2000年12月首次在亞波長相關技術項目上與UMC開展合作。那一次，UMC獲得了Numerical相移專利技術的授權，利用這項技術在自己的0.13微米MPU製造工藝中生產70nm特徵尺寸的產品。2001年2月，雙方開展了一個試驗項目，在Virtual Stepper的基礎上開發一套基於仿真的掩模缺陷檢查和鑑定設備，應用於大規模量產環境。在這個聯合開發項目下，Numerical與UMC的掩模質量工程小組及其光罩提供商和晶圓生產廠開展了緊密的合作，使該系統具有對包含OPC和相移結構的先進光罩進行處理的能力。雙方還計劃研究基於Internet的工具，以改善實時檢查能力、光罩製造商與晶圓工廠小組之間的通信水平，從而提高總體產能。
基於仿真的掩模缺陷鑑定新方法要求光罩檢查標準建立在最終的晶圓檢查結果，而不僅僅是光罩本身之上。在每一個掩模上進行晶圓檢查顯然成本過高，因此UMC嘗試尋找一種易用而精確的仿真工具。Virtual Stepper系統是一種著名的集成光罩鑑定軟體，它被選擇用來執行仿真，並準確地預測在一系列特定處理條件下哪些掩模缺陷會最後傳遞到流片上。
在一個最新式的步進器中，Virtual Stepper先進的仿真引擎對光學系統進行仿真。這個工具將掩模檢查和覆審系統產生的刻線圖作為輸入，輸出的印刷圖與將在流片上呈現的模樣完全相同。聚焦窗口、幅度縮放曲線等多種過程窗口分析選項可以幫助UMC公司的工作小組對結果進行量化。這個軟體靈活的腳本能力允許他們引入不同的檢查功能，滿足檢查和製造過程的需要。
為了執行仿真，Virtual Stepper採用了Numerical公司專有的工藝模型，這個模型考慮了成像系統的波長、衰減因子、數字孔徑、相關因子和光罩模式，同時還考慮了稜鏡偏差和保護層的影響。同樣的技術 (仿真引擎和對校準模型的使用等)也用在Numerical公司所有的亞波長解決方案中。由於設計---流片的整體工藝變得越來越複雜，對錯誤假設和不一致模型的容差越來越低，這項技術的重要性就更高了。
為了確定仿真的總體準確性，需要對不同掩模類型上的多種缺陷進行徹底的考察。表中列出了對包括二進位強度掩模(BIM)、衰減和交變孔徑相移掩模在內的先進光罩所做的一些實驗。「檢驗缺陷鑑定設備」一項顯示了UMC公司為在生產環境下評估Virtual Stepper所進行的協作和大量測試。
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掩模製造商和晶圓生產廠共享重要的缺陷信息UMC考察了八種最先進的生產設備的工作過程，這些設備分別位於新竹和臺南科技園區。UMC從多家光罩供應商購買了在這些工廠使用的掩模。另外，決策者們可能常常要接觸全球的國際客戶。因此，新的光罩設備必須執行一種公用的語言和方法，以便所有的掩模製造商和掩模用戶都能識別和分享。
Numerical公司的開發小組設計了Virtual Stepper，使通信能以一種準確、快速和一致的方式進行。UMC可以與它的光罩供應商一起工作，確定一個具體的掩模如何在UMC的某種特定設備上工作(針對一種前沿的工藝技術)，即使這個掩模暫時還沒有交付給晶圓生產廠。同時，這間工廠現在可以儘快地處理有可能對它在一條特定生產線上使用這個掩模的能力產生重大影響的所有缺陷。這會帶來成本的節省(通過減少修復工作)和更快的周轉時間(通過降低掩模的返回率)。
Virtual Stepper的用戶界面使用了標準的網絡瀏覽器。通信功能部件在後臺工作，允許UMC的員工和客戶(無論在本地還是在世界上其他任何地方)直接訪問數據和進行實時協作。該系統提供了在內部網絡、網際網路和獨立模式之間的切換選擇。UMC的整個工藝過程都得益於這套新的掩模設備，包括晶圓生產廠和掩模製造商的工程師，以及輸入和輸出質量控制人員。這項技術尤其方便了希望能夠快速訪問掩模檢查數據的技術專家和需要實時分析缺陷的嚴重性和修復後的可印性的修復工程師。此外，在掩模製造中/後期，遠端客戶可以輕鬆地介入掩模製造過程，提供對掩模調整的實時反饋。
生產中的自動缺陷嚴重性評定(ADSS)Numerical的小組開發了ADSS功能，使Virtual Stepper能夠方便地用於UMC公司的量產環境。ADSS將缺陷掩模圖像與一個參考掩模圖像進行比較，考慮由於缺陷引起的晶圓臨界尺寸(CD)變化、缺陷工藝窗口的影響、該區域中標準特徵的CD偏差容限。然後，用一個從0到10的數值來評定每個缺陷的嚴重性。通過自動區分真實缺陷和幹擾缺陷並確定掩模缺陷對印製圖像的影響，ADSS功能降低了對人工介入的需求。這有效地減少了總的缺陷檢查時間和製造成本。
UMC公司的小組現在可以訪問一組精確的數據並與它的掩模提供商共同作出決策：修復、否定、忽略或放棄一個缺陷。一旦某個幹擾缺陷被識別出來之後，就可以有把握地忽略它。在並行地執行仿真時，Virtual Stepper通過將步進器光學裝置和工藝知識與刻線檢查進行緊密結合，減少了對人工檢查缺陷列表的要求。
多方面的改進更增強了Virtual Stepper作為一個生產工具的能力。這個工具現在可以支持多種平臺(Windows NT/2000和UNIX)和資料庫(MSSQL、Oracle)。系統還支持可伸縮的分布式處理(多處理器和集群)，支持面向任務的所有掩模文件格式，因為它允許一邊進行掩模檢查一邊在後臺繼續執行任務。
模式轉換減少了周轉時間和成本通過採用新的方法，掩模廠商現在將使用基於仿真的鑑定工具來進行掩模審查和籤發，而UMC等晶圓廠商將使用它們來執行掩模檢查、修復和重新鑑定等工作。在晶圓代工廠方面，它們接收到光罩圖之後，就將採用掩模製造商控制輸出質量的同樣步驟和工具(輸入質量控制、掩模重鑑定)來執行缺陷分析。這種方法為掩模廠商和掩模用戶之間的可靠通信開闢了一個渠道。
從人工介入邁向自動處理是伴隨亞波長複雜度的增加出現的必然轉變。不過，真正的模式轉變是，輸出質量保證(OQA)和輸入質量檢查再也不能分立看待了(如圖1所示)。採用新的設備之後，建立在Virtual Stepper的精確仿真所收集到的數據上的OQA決策可以由晶圓廠的OQA檢查人員實時訪問，因為掩模製造商和晶圓廠的有關人員已經通過緊密合作排除了虛假缺陷並做出了重要的修複決定。新系統可以進行統一的分析，不受操作人員或工作班次輪換的影響。通過採用這種新方法，即使在最終產品輸出之前，每個人都能準確地知道所進行的工作是什麼，什麼時候、由什麼人實施，具體參數和工藝要求是什麼。
這免除了在掩模製造商和晶圓生產廠之間來回運送光罩造成的時間浪費和可能造成的損壞。更重要的是，返回率的降低也節省了成本。對於掩模製造商來說，掩模的產量提高了，因為它們無需由於不影響流片工藝的缺陷而重做或廢棄掩模。從檢查的角度來看，Virtual Stepper具有檢查人員和光刻工程師的智慧和經驗，這就降低了對人員素質和培訓的要求，允許有選擇性地對檢查資源進行部署。最後，Virtual Stepper使由於刻線原因導致晶圓損失的風險降到了最低。
為未來進行協作 UMC在0.18微米及更小尺寸的工藝上為客戶生產了大批量的晶片---它們都具有亞波長特徵，這使該公司一直在努力將這些工藝的先進掩模快速用於自己的生產線。通過採用Numerical