先進相移掩模（PSM）工藝技術

彭 力，陳友篷，尤 春，周家萬

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

先進相移掩模（PSM）工藝技術

彭 力，陳友篷，尤 春，周家萬

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

先進相移掩模（PSM）制造是極大規模集成電路生產中的關鍵工藝之一，當設計尺寸（CD）為0.18 μm時，就必須在掩模關鍵層采用OPC（光學鄰近校正）和PSM（相移技術），一般二元掩模由于圖形邊緣散射會降低整體的對比度，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，通過數據處理、電子束曝光、制作二次曝光對準用的可識別標記、二次曝光、顯影、刻蝕，并對相移、缺陷等進行分析和檢測，確保能達到設計要求。

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），在極大規模集成電路產業鏈中，先進相移掩模是連接設計端與工藝制造端的紐帶和橋梁，若沒有先進相移掩模，芯片設計完后圓片生產線也無法制造出芯片。先進相移掩模在極大規模集成電路產業鏈所處的位置如圖1所示。

先進掩模制造的基本流程為：先將設計完成的電路設計方案經過計算機輔助設計技術處理，轉換成設計圖案；設計圖案通過專用設備如電子束曝光機，將圖案曝光至涂有感光材料的掩?；褰橘|上（通常是表面涂有金屬鉻、相移層的石英玻璃板）；然后經由顯影、干法刻蝕等過程使圖案精確地定像在掩?；褰橘|上，經清洗、檢測后處理等再涂膠，經第二次曝光后顯影、對相移層進行干法刻蝕、相位角檢測等多個步驟最終形成先進相移掩模。

先進相移掩模實際上是一種特殊的光學“模具”。在極大規模集成電路工藝加工過程中，設計數據必須先轉換成掩模，再利用這種模具用光刻的方式將圖形轉移到圓片上，經圖形多次疊加后形成一個完整功能的極大規模集成電路芯片。將設計圖案轉換到掩模上是一個復雜的過程，而且每一個集成電路芯片需要一套專門定制的掩模。

由于極大規模集成電路的集成度越來越高，其芯片的加工制造都是經過一層一層疊加來完成，每一層工序都需要其獨特的掩模。一個功能完整的芯片電路復雜的高達30層或更多，因此先進相移掩模制造環節是產業鏈中造價最高的一部分，同時由于掩模的精確度直接決定了芯片制造的精確度，所以先進相移掩模制造也是限制最小線寬的重要環節。

形象地說，掩模制造與芯片制造的關系可簡單理解為照相與沖洗的關系，掩模的作用就類似于底片——沖洗系統通過對底片復印，可得到相片；芯片制造系統對掩模進行多次曝光、刻蝕，可得到芯片電路。不同的是一張照片只需一張底片，而一個芯片電路需要6～30塊先進相移掩模。

2 相移掩模（PSM）技術

2.1 技術發展概述和基本原理

先進掩模制造技術與極大規模集成電路制造技術同步發展，當集成電路制造主要采用光學光刻技術時，為了解決高分辨率和高產率的矛盾，經歷了許多次變革，光刻機曝光光源的波長經歷了436nm（G-line）、356nm（I-line）、248nm（KrF）和193nm（ArF）的發展過程，分辨率從1μm發展到今天的65nm，其產率從每小時20片（100mm硅片）發展到每小時100片（300mm硅片），為了延展光學光刻的生命周期，掩模制造技術也采用OPC（光學鄰近校正）和PSM（相移技術），以滿足在集成電路制造中光學光刻對掩模的要求，并能實現圖形在圓片上的再現和批量生產。

當圓片生產達到0.18 μm時就必須在關鍵層采用OPC或PSM技術，OPC技術可以修正光學臨近效應，但是卻無法改善圖形對比度。由于圖形邊緣散射會降低整體的對比度，使得光刻膠圖形不再黑白分明，包含了很多灰色陰影區，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行顯影、腐蝕、檢驗、清洗后再涂膠進行第二次曝光，然后對第二層材料進行顯影、腐蝕、檢驗、清洗。隨后進行各種相應檢查，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，控制難點較多。PSM的主要技術要點為相移掩模條寬（CD）控制技術、相移掩模缺陷控制技術、相移掩模相位角控制技術、相移掩模套準控制技術。

先進相移掩模制造技術與極大規模集成電路工藝加工技術密切相關，工藝加工技術發展速度基本代表了先進相移掩模制造技術的發展速度，但后者很大程度上制約了前者。

相移掩模技術是IBM公司研究實驗室Marc D.LevenSon等人于1982年提出來的一種新型掩模技術。其基本原理是利用通過不帶相移層區的光線和通過帶相移層區（移相器、光線相位產生180°的移動）光線之間因相位不同產生相消干涉，從而改變了空間的光強分布，實現了同一光學系統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生相位移動，相位移動的相位值與膜厚、薄膜材料的折率和入射光線的波長具有相關的函數關系：T=λ/2（n+cos θ）。實用的相移器必須保證入射光線產生180°的相位移動。

根據上述關系式，只要相移器的膜厚滿足T=λ/2（n-1）條件時，通過相移器的光線正好產生180°的相位移動。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難點之一。

當1982年Marc D. Levenson等人提出相移掩模技術時，由于一些技術難點難以達到實用化，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展對半亞微米和深亞微米光刻技術的強烈要求，以及相移掩模技術獲得重大的突破，達到了實用化的水平，進而開發出了多種設計和制作相移掩模的工藝技術，出現了各具特色和優點的相移掩模工藝方法和產品。在近幾年200mm和300mm晶圓生產中大量采用相移掩模（PSM）技術，在0.18 μm～65nm光刻時相移掩模（PSM）能滿足相關工藝的要求。據VLSI研究資料顯示，在一段時期國際上掩模產品主要在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）、多級抗蝕劑結構（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（Edge M a s k）、亞分辨率微結構移相灰色效應（SubResolution），梳狀過渡移相器（Comb-Shaped Shifter），基片表面直接移相（Phase-Shifting on the Substrate），聚合物結構直接移相（Polymeric Shifter PMMA）。

圖3顯示了光學光刻技術中在應用相移掩模后所獲得的光學光刻分辨率的提高。

2.3 相移掩模技術流程

在分析相移掩模（PSM）資料的基礎上，利用已有設備和相應的材料，在電子束進行第一次曝光時將相應的設備識別標記制作在掩模上，經過工藝處理后進行檢查，符合制版要求后用激光圖形發生器對處理后的數據進行第二次曝光，并對掩模作工藝處理，然后測量檢驗及修補，裝膜后作最終測量，符合圓片生產線文件要求的交付生產線測試和使用。

3 關鍵技術解析

相移掩模（PSM）技術包括數據處理、相移材料曝光工藝處理及第一、二次互套曝光、檢測等三個方面。

數據處理是通過專用軟件CATS對客戶數據進行處理，將客戶設計的集成電路版圖中的某一層數據按采用相移工藝的要求分成兩次曝光的數據，并通過計算機網絡傳給曝光設備。

電子束或激光圖形發生器曝光是在相移材料上第一次曝光顯影、腐蝕后，對第二種材料進行第二次曝光時有一個對第一次圖形的精確定位，并根據數據處理后的第二曝光數據進行套準后的第二次曝光的過程。這就有識別標記的制作和對標記的識別，以及相應的工藝處理技術。

圖形制作后進行的檢測主要是確保已經產生相位移，并測定位移的范圍是否符合工藝規范。缺陷檢測與平常沒有相移材料時的檢測不一樣，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，然后將相關數據傳給缺陷修補設備進行修補。

3.1 相移掩模條寬（CD）控制技術

相移掩模的制造流程比較復雜，制造工序較多，條寬控制比較困難。同時又因為相移掩模一般都應用于高端掩模，條寬的規定比較嚴格。制程條件的動態變化和材料的不穩定都會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定對條寬控制帶來的不利影響，需要改變一次性把條寬調到位的傳統做法，傳統做法如圖4所示。

而需預留一定的加蝕刻空間，即正常流程過程中，如不進行加蝕刻動作的話，實際做出的條寬值會比設計值小一些（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定性變化較大而使實際條寬變大時，也可以通過不加蝕刻而使得產品達到條寬控制規格，從而避免產品的報廢，提高良率。

另外對曝光、顯影、蝕刻設備進行定期維護，使機臺的參數在規格之內也是必要的。此外還要根據制程和材料變化進行參數的微調。

3.2 相移掩模缺陷控制

相移掩模的制作周期很長，經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，必須制訂嚴格的生產管理條例，定期對設備進行維護，以及對生產程序進行最大程度的優化。

按照微粒產生的途徑，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、環境問題（無塵室大環境、操作區域、工作臺區域等等）、人員操作問題、設備問題等4個方面。

在相移掩模的制作過程中，由于條寬尺寸（CD）很小，圖形復雜負載很大，如果造成缺陷很難修補。所以對操作環境有特殊的要求，如在曝光或顯影蝕刻時必須進行人員清場，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；對無塵室環境定期進行清潔。另外高端產品因為制作周期較長，其在生產過程中應該有機臺的優先使用權；對重要的產品（PSM）加掃涂光刻膠前的檢驗即（Before coat inspection），這樣可以盡快知道產品的缺陷狀況，如有問題可以盡快找出原因所在并排除故障；特別對于高端產品應該有專門的工程技術人員進行實時追蹤，確保其生產順利。

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方面有關：

（1）材料：相移掩?；逑嘁茖拥暮穸戎苯記Q定了相位偏移度數，要達到理想的相位偏移需嚴格控制其度數。

（2）干法蝕刻：對相移層干法蝕刻的時間直接決定了初始的相位偏移，因為之后相移掩模還需經過多次清洗，一般初始的相位偏移要大于規格值。

（3）清洗：因為相移掩模在經過清洗時，相移層金屬會與氨水發生氧化、絡合反應，會造成相位角度數的下降。

4 技術研究路線

將設計數據處理后經電子束進行第一次曝光時，將相應的設備識別標記制作在掩模上，經過工藝處理進行檢查，符合制版要求，勻膠后再用激光圖形發生器處理能用的數據進行第二次曝光，并對掩模作工藝處理，然后測量檢驗及修補，裝膜后作最終測量，符合圓片生產線文件要求的交付圓片生產線測試和使用。技術路線流程為：客戶數據→數據處理→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→缺陷修補驗證→清洗二→貼膜→缺陷檢查二→包裝出貨。

研制進程步驟如下。

（1）數據轉換：將客戶數據和圓片生產線的FRAME數據轉換成相移掩模（PSM）數據等。

（2）制作工序：電子束曝光設備和激光圖形發生器相移掩模（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工藝處理設備顯影大約20min，進行后處理，然后進入下一步。

（3）檢驗工序：檢驗設備（如KLA SLF2X/7X）參數的選擇和確認等。

（4）保護膜安裝：最終清洗后進行保護膜儀器參數的選擇和保護膜安裝。

（5）出廠檢驗：相移掩模（PSM）出廠的規格檢查按以下掩模檢測標準進行。

先進掩模檢測標準（單位μm）：

（1）設計CD：0.13；相移掩模CD：0.13±0.02；CD平均值：±0.015；套準（與第一層）：±0.03；缺陷尺寸：＜0.2；相位角（PSM）：180±3°；相移誤差：±3%；微粒控制如表1所示。

（2）設計CD：0.18；相移掩模CD：0.18±0.03；CD平均值：±0.03；套準（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 結束語

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

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

［2］李艷秋. 下一代曝光（NGL）技術的現狀和發展趨勢[R].第十二屆全國電子束、離子束、光子束學術年會. 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年畢業于西北電訊工程學院，現工作于中國電子科技集團公司第58研究所，多年來從事掩模工藝技術研究。