光掩模上的曲線形狀（curvilinear shapes）的轉(zhuǎn)變多年來(lái)一直被認(rèn)為是提高良率、降低缺陷率和減少芯片上浪費(fèi)空間的一種方式，現(xiàn)在正在獲得越來(lái)越多的支持——所有這些對(duì)于半導(dǎo)體的持續(xù)微縮和提高可靠性都至關(guān)重要。

在今年的 SPIE 光掩模技術(shù) + EUV 光刻會(huì)議上，人們對(duì)這種方法表現(xiàn)出了濃厚的興趣。簡(jiǎn)而言之，曲線形狀（curvilinear shapes）是對(duì)特征的更準(zhǔn)確表示，這些特征將被印刷在掩模上并最終蝕刻到晶圓上，從而使這些特征之間的間距更緊密。如果整個(gè)行業(yè)都支持這種做法，影響可能會(huì)很大。但這種規(guī)模的任何舉措都會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)它適用于大批量制造時(shí)，而且這種轉(zhuǎn)變并非易事。此外，即使有廣泛的支持，也需要數(shù)年時(shí)間才能完全實(shí)現(xiàn)其好處。

西門(mén)子 EDA的 Calibre 半導(dǎo)體解決方案副總裁 Steffen Schulze 表示：“Curvilinear 已經(jīng)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間了。” “該技術(shù)已經(jīng)有一些演示，例如內(nèi)存公司在高重復(fù)率的高密度陣列中使用它，但它始終受到制造框架的約束?，F(xiàn)在，采用曲線幾乎就像大壩已經(jīng)決堤一樣?！?/p>

人們對(duì)其潛力肯定更加樂(lè)觀。“幾十年來(lái)，人們一直在談?wù)撉€光罩，”Fractilia 首席執(zhí)行官 Chris Mack 說(shuō)道。“但這種成本效益比一直存在，而且成本大于收益?，F(xiàn)在，幾個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素已經(jīng)改變了成本效益比，曲線掩模實(shí)際上可能是實(shí)用的。”

這些推動(dòng)因素之一是采用多光束掩模寫(xiě)入器（multi-beam mask writers）。從歷史上看，掩模寫(xiě)入依賴于單束電子束光刻，這對(duì)于創(chuàng)建復(fù)雜圖案來(lái)說(shuō)非常耗時(shí)且效率較低。然而，隨著對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)和更小節(jié)點(diǎn)的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)更快、更精確的掩模寫(xiě)入的需求變得越來(lái)越明顯。這些工具于 2010 年代初推出，允許同時(shí)寫(xiě)入多個(gè)圖案，大大減少寫(xiě)入時(shí)間并能夠創(chuàng)建更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，從而徹底改變了掩模生產(chǎn)。

“多光束掩模寫(xiě)入器已經(jīng)存在好幾年了，” D2S董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 說(shuō)道。“現(xiàn)在，尤其是對(duì)于 EUV，掩模幾乎總是 100% 由多光束掩模寫(xiě)入器寫(xiě)入。曲線形狀不會(huì)帶來(lái)額外的損失，因?yàn)榍€掩模不需要額外的時(shí)間來(lái)生產(chǎn)。”

這使得曲線采用的情況變得更加簡(jiǎn)單。“該行業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向曲線，” Synopsys高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Travis Brist 表示?！皵?shù)據(jù)量一直是一個(gè)障礙，這有點(diǎn)‘正在進(jìn)行中’，而掩碼寫(xiě)入器也是一個(gè)障礙。但多光束掩模寫(xiě)入器開(kāi)始出現(xiàn)，并且您開(kāi)始看到它們的更多用途。”

該設(shè)備的性能得到了顯著提高。“在老式的掩模寫(xiě)入中，我們一次寫(xiě)入一個(gè)像素，”Mack補(bǔ)充道?！皩?duì)于曲線掩模，你必須有更小的像素尺寸和更小的地址尺寸，這將大大增加寫(xiě)入時(shí)間，從而增加掩模的成本。但在過(guò)去的十年中，我們看到多光束掩模寫(xiě)入器變得可用并流行。現(xiàn)在，他們可以以與寫(xiě)入曼哈頓幾何掩模相同的速度寫(xiě)入曲線掩模，而且精度也很高?！?/p>

圖 1：英特爾的 Frank Abboud 在 SPIE 上討論曲線掩模挑戰(zhàn)

曲線掩膜的另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是用于表示曲線特征的“多邊形”（multigon）格式。多邊形（單一幾何圖形中的多邊形集合）專門(mén)為表示曲線特征而設(shè)計(jì)，可確保數(shù)據(jù)量保持可管理性，盡管這些設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性。

IMEC 高級(jí)圖案化項(xiàng)目主任 Kurt Ronse 表示：“逆向光刻技術(shù)或曲線光刻技術(shù)已于 10 多年前誕生?！?“問(wèn)題是它們是光罩上的隨機(jī)圖案，有時(shí)是非常小的圖案和更大的圖案以及各種方向，所以沒(méi)有人能夠制作這樣的面具。另外，沒(méi)有方法可以存儲(chǔ)您以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式計(jì)算的圖像。數(shù)據(jù)變得太大，面具店無(wú)法將其加載到寫(xiě)入器中。”

這是曲線形狀的挑戰(zhàn)之一。直線可以由兩個(gè)點(diǎn)定義，但曲線需要沿著曲線的許多點(diǎn)才能獲得準(zhǔn)確的表示，如果有很多起伏，則需要很多點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)量將是巨大的。

這就是多邊形格式發(fā)揮作用的地方。多邊形格式不是僅僅依賴分段線性表示，而是引入了表示曲線多邊形的方法，例如二次貝塞爾曲線擬合或樣條擬合。這些方法可以用更少的數(shù)據(jù)點(diǎn)捕獲曲線形狀的本質(zhì)，從而可能減少文件大小并提高數(shù)據(jù)處理效率。

“三次樣條（Cubic splines）是人們最常見(jiàn)的多邊形，因?yàn)樗鼈兎浅ｌ`活，”Mack說(shuō)。“將一些三次樣條放在一起，您就可以用更少的數(shù)字來(lái)描述一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的形狀。但這是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要整個(gè)行業(yè)合作才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這項(xiàng)工作正在進(jìn)行中。完成后將會(huì)非常有幫助?！?/p>

即使過(guò)渡到這種格式也很復(fù)雜?！俺诉@些曲線特征之外，曲線還帶來(lái)了更多的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜性，”Synopsys 的 Brist 說(shuō)?！耙虼?，我們將多邊形格式視為一種不同的方式來(lái)表示 GDS 文件中的數(shù)據(jù)，以減少體積，并使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性并加快部署速度?！?/p>

針對(duì)曼哈頓結(jié)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)有工具和流程可能會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的曲線形狀結(jié)果。這就需要開(kāi)發(fā)新的工具、算法和檢查來(lái)有效處理復(fù)雜的曲線設(shè)計(jì)。

“你可以想象，現(xiàn)在有了這些彎曲特征，用于觀察曼哈頓結(jié)構(gòu)并在曼哈頓特征之間進(jìn)行測(cè)量的東西不再適用于彎曲特征，”Brist補(bǔ)充道?！耙虼?，您確實(shí)必須創(chuàng)建新類型的檢查，以便識(shí)別這些功能，而不會(huì)識(shí)別誤報(bào)或遺漏的內(nèi)容。這成為一個(gè)新的挑戰(zhàn)。”

檢查缺陷

掩模規(guī)則檢查 (MRC) 長(zhǎng)期以來(lái)一直是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的基石。這些規(guī)則確保光掩模圖案是可制造的，并且它們忠實(shí)地再現(xiàn)硅晶片上的預(yù)期特征而沒(méi)有缺陷。從歷史上看，MRC 是為曼哈頓（直線）結(jié)構(gòu)量身定制的，其特點(diǎn)是直角和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。然而，隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向曲線或非曼哈頓特征，傳統(tǒng) MRC 的局限性變得明顯。這些傳統(tǒng)檢查難以有效處理彎曲特征的細(xì)微差別，從而導(dǎo)致潛在的不準(zhǔn)確、誤報(bào)或被忽視的細(xì)節(jié)。

“曼哈頓世界中的掩模規(guī)則檢查已經(jīng)有了相當(dāng)明確的定義，但我們正在與客戶合作，以確定與曲線數(shù)據(jù)表示相關(guān)的新掩模規(guī)則，”西門(mén)子 EDA 掩模和平臺(tái)解決方案總監(jiān) Stephen Kim 說(shuō)道?！拔也徽J(rèn)為這些規(guī)則已經(jīng)解決，但隨著它們的出現(xiàn)，它們將鞏固約定，希望很多人都可以使用?！?/p>

這種方法的好處早已為人所知。“使用曼哈頓蒙版，您實(shí)際上會(huì)受到 MRC 約束，無(wú)法將事物添加到一起，”Brist 補(bǔ)充道?！爱?dāng)你有四個(gè) 90° 邊緣時(shí)，你很快就會(huì)遇到這些限制，并且你可以看到那里的印刷觸點(diǎn)是如何受到損害的?！?（見(jiàn)圖2）?！叭绻憧梢赃M(jìn)入曲線狀態(tài)，那么現(xiàn)在你仍然滿足 MRC 約束。但因?yàn)樗菑澢?，所以?shí)際上你可以在那里獲得更多的覆蓋范圍，并且你可以打印更接近目標(biāo)的東西。我們看到更嚴(yán)格的 CD 控制、更少的 CD 變異性、更低的 MEEF——所有這些優(yōu)點(diǎn)。” （掩模誤差增強(qiáng)因子，或 MEEF，是晶圓上圖案化光刻膠的 CD 相對(duì)于掩模臨界尺寸的比率。）

圖 2：曼哈頓掩模比曲線掩模更受 MRC 約束的限制。

高數(shù)值孔徑 EUV 的可能拼接解決方案

采用曲線掩模的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要將兩個(gè)掩模縫合在一起以在晶圓上形成完整的圖像。對(duì)于高數(shù)值孔徑 EUV，半場(chǎng)掩模的拼接誤差是一個(gè)主要問(wèn)題。

想象一下，在田野上畫(huà)一條線，無(wú)意中留下了微小的碎片或“碎片”。然后，這些微小的特征需要在后續(xù)掩模上表現(xiàn)出來(lái)。與其直接穿過(guò)田地，稍微調(diào)整線以將這些條帶包含在主多邊形內(nèi)可能更具策略性。這種方法簡(jiǎn)化了任務(wù)，使拼圖的各個(gè)部分更加協(xié)調(diào)，但需要人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)處理計(jì)算。

“高數(shù)值孔徑的拼接挑戰(zhàn)是眾所周知的，”imec 的 Ronse 說(shuō)。“高數(shù)值孔徑的全新特點(diǎn)之一是鏡頭的變形特性，它限制了晶圓上打印區(qū)域的尺寸。該設(shè)計(jì)掩模上的放大倍數(shù)在一個(gè)方向上是 8 倍，而不是兩倍 4 倍。另一個(gè)方向仍然是4X。使用六英寸掩模，您只能曝光晶圓上一半的區(qū)域尺寸。如果您的芯片類似于典型的 33 x 26，則只能掃描 15 或 16 毫米，然后您需要另一個(gè)掩模來(lái)對(duì)芯片的另一面進(jìn)行成像。當(dāng)然，它們必須配合在一起。這是一個(gè)大問(wèn)題。從來(lái)沒(méi)有人這樣做過(guò)?！?/p>

幾家主要芯片制造公司最近提出了一種非正統(tǒng)的解決方案來(lái)解決高數(shù)值孔徑的拼接問(wèn)題?；舅枷胧菍⒌湫偷?6 x 6 英寸掩模版尺寸加倍為 6 x 12 英寸掩模，這樣可以在高數(shù)值孔徑掃描儀上一次性對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行成像，并避免拼接的挑戰(zhàn)。但光掩模的嘎吱聲如何發(fā)生如此重大的改變并不容易。

“掩膜制造商基本上需要對(duì)更大的Blank進(jìn)行書(shū)寫(xiě)、清潔和編碼，而且它們必須更厚，以避免任何下垂，”Ronse 說(shuō)?！八鼈儠?huì)重得多?！?/p>

光罩公司是否會(huì)采取這種做法仍不得而知。西門(mén)子的舒爾茨表示：“人們對(duì)此持懷疑態(tài)度，也不知道該行業(yè)是否已準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題?！?“但共識(shí)似乎是，這更多的是一個(gè)工程問(wèn)題，而不是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。如果人們決定走這條路，那么需要幾年的時(shí)間才能到達(dá)那里?！?/p>

這就是當(dāng)今行業(yè)的現(xiàn)狀?！盎旧?，他們所說(shuō)的是，如果整個(gè)行業(yè)在今年年底前協(xié)調(diào)一致，他們將開(kāi)始開(kāi)發(fā)它，”imec 的 Ronse 說(shuō)?！叭绻袠I(yè)不協(xié)調(diào)，那么他們當(dāng)然不會(huì)這樣做，因?yàn)檫@將是一項(xiàng)昂貴的工作。但最重要的是你可以避免縫合。其次，吞吐量至少會(huì)提高 50%，這樣基本上就降低了成本?！?/p>

但也存在抵消因素。西門(mén)子的 Kim 補(bǔ)充道：“肯定會(huì)考慮到這種新光罩尺寸的重量。”他指出，這需要一些標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格?！斑@為行業(yè)提供了一些需要考慮的東西，以及可以預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題，以便一旦我們有了這樣的規(guī)格，就可以進(jìn)行討論?！?/p>

即使大家都同意，實(shí)施起來(lái)也需要時(shí)間?！癧開(kāi)發(fā)]使用一組新基板處理更大掩模所需的新設(shè)備可能需要五年的開(kāi)發(fā)時(shí)間，”舒爾茨補(bǔ)充道?！斑@意味著我們必須同時(shí)集中精力解決拼接問(wèn)題?！?/p>

較小節(jié)點(diǎn)處的曲線掩模

與最初為前沿設(shè)計(jì)的其他技術(shù)一樣，最終會(huì)滲透到流程中的其他區(qū)域，曲線掩模寫(xiě)入也可能會(huì)遷移到較舊的工藝。隨著技術(shù)的成熟以及晶圓廠獲得更好的曲線模型和工藝配方，曲線沒(méi)有理由不用于較舊的工藝節(jié)點(diǎn)。

“這取決于收益是否值得額外成本，”Fractilia 的 Mack 說(shuō)?！叭绻腥讼Ｍ?EUV 中使用曲線掩模，那可能是因?yàn)?EUV 層證明支付更高的成本是合理的?？赡苡?193 層也證明支付成本是合理的，并且成本可能會(huì)隨著使用而下降 - 在這種情況下，超過(guò) 193 層可能值得使用曲線掩模。也就是說(shuō)，沒(méi)有人會(huì)返回并更改已經(jīng)運(yùn)行的流程，但每個(gè)新節(jié)點(diǎn)仍然包含大量 193 層。”

規(guī)模經(jīng)濟(jì)在某個(gè)時(shí)候就會(huì)發(fā)揮作用。“一旦曲線變得更加可用，也許隨著生成這些掩模的成本下降，您將看到曲線不僅在 EUV 和高數(shù)值孔徑中使用，”Brist 說(shuō)。“它將運(yùn)行在以前僅限于曼哈頓風(fēng)格功能的舊技術(shù)上。公司可以通過(guò)利用這些曲線掩模來(lái)延長(zhǎng)現(xiàn)有工具的使用壽命，而不是在舊節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行多重圖案，或者甚至嘗試獲得新工具。”

這反過(guò)來(lái)又為儲(chǔ)蓄創(chuàng)造了更長(zhǎng)的尾巴。“隨著行業(yè)的成熟，隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟，由于電壓和電流方面的優(yōu)勢(shì)、通孔數(shù)量的減少和成本的降低，它似乎可能會(huì)激增?！?舒爾茨補(bǔ)充道。

曲線的剩余挑戰(zhàn)

在曲線進(jìn)入主流制造之前，還有另外兩個(gè)重大挑戰(zhàn)需要克服。一是缺乏現(xiàn)有的模型和歷史來(lái)進(jìn)行精確計(jì)算。

“經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們的行業(yè)非常重要，”麥克說(shuō)?！拔覀冋谟脴O其復(fù)雜的工藝制造極其復(fù)雜的設(shè)備，我們依靠我們的歷史來(lái)了解什么有效、什么無(wú)效。增量變化更容易處理，因?yàn)槲覀兛梢岳梦覀兊闹圃鞖v史來(lái)了解要注意什么和要忽略什么。但使用曲線掩模是一個(gè)足夠大的改變，需要大量學(xué)習(xí)來(lái)克服我們?nèi)狈?jīng)驗(yàn)的問(wèn)題?！?/p>

這種轉(zhuǎn)變需要時(shí)間、努力和廣泛的行業(yè)承諾?！巴ㄟ^(guò)曼哈頓設(shè)計(jì)，我們擁有了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以利用豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，”D2S 的 Fujimura 說(shuō)道?！安柯渲R(shí)隨著時(shí)間的推移而積累，但我們不知道曲線的知識(shí)。對(duì)于 CD 來(lái)說(shuō)，業(yè)界已經(jīng)確立了這一點(diǎn)：都是一樣的。因此，當(dāng)你有這些數(shù)字可供比較時(shí)，人們就會(huì)知道這是一個(gè)有意義的比較。雖然這對(duì)曲線造成了技術(shù)障礙，但它并不是“你能做到嗎？” 更多的是，‘慣例是什么？’”

曲線掩模的另一大挑戰(zhàn)是檢查。傳統(tǒng)的檢查工具針對(duì)曼哈頓設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單的直角結(jié)構(gòu)。使用曲線掩模，復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增加。這些掩模上復(fù)雜多樣的圖案使得傳統(tǒng)工具難以快速準(zhǔn)確地識(shí)別缺陷。此外，與曲線設(shè)計(jì)相關(guān)的大量數(shù)據(jù)可能會(huì)壓垮這些工具，導(dǎo)致檢查時(shí)間更長(zhǎng)和潛在的疏忽。隨著行業(yè)傾向于曲線掩模，迫切需要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的檢測(cè)方法，以有效處理這些設(shè)計(jì)的細(xì)微差別，同時(shí)確保最高水平的準(zhǔn)確性和精確度。

“目前，障礙是檢查，”imec 的 Ronse 說(shuō)。“如果你有一個(gè)曲線掩膜，你必須檢查它，看看一切是否正確或是否存在缺陷。但檢測(cè)工具無(wú)法檢測(cè)整個(gè)板材，因?yàn)閿?shù)據(jù)太多?，F(xiàn)在，檢查工具正在準(zhǔn)備接受這種新的曲線數(shù)據(jù)格式，但這可能仍然是當(dāng)今最大的問(wèn)題?！?/p>

曲線掩模檢測(cè)

本質(zhì)上有兩種檢測(cè)范例。一種是芯片與芯片之間的比較。典型的掩模上有多個(gè)芯片，檢查它們的一種非常簡(jiǎn)單的方法是將一個(gè)芯片與下一個(gè)芯片進(jìn)行比較。高分辨率相機(jī)查看一個(gè)區(qū)域的圖片，查看不同芯片上同一區(qū)域的圖片并比較差異。任何差異都可能代表缺陷，因?yàn)樗袌D像都應(yīng)該相同。

總是存在重復(fù)缺陷的可能性，因?yàn)槊總€(gè)芯片都可能具有相同的缺陷。這可能是由設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的缺陷引起的。盡管如此，這些案例還是不尋常的。通常，它是隨機(jī)缺陷或源于在掩模上制作特定特征的能力的缺陷。大多數(shù)時(shí)候，所有缺陷都可以通過(guò)芯片間檢查來(lái)識(shí)別。

然而，在某些情況下，每個(gè)掩模只有一個(gè)芯片，或者在曲線設(shè)計(jì)的情況下，每個(gè)掩模有半個(gè)芯片。十個(gè)芯片之間的比較是不可能的。相反，您使用芯片到數(shù)據(jù)庫(kù)檢查，其中您擁有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)該是什么樣子的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且您擁有實(shí)際的掩模，然后工程師進(jìn)行比較。與芯片到芯片的比較相比，芯片到數(shù)據(jù)庫(kù)的比較要復(fù)雜得多，而且計(jì)算量很大。

“目前，存在三種潛在的檢查解決方案，有傳統(tǒng)的芯片對(duì)芯片檢查。然后是光化，它使用與光刻過(guò)程中使用的相同波長(zhǎng)的光進(jìn)行檢查。然后是電子束檢查，可以有兩種形式。一是他們對(duì)口罩進(jìn)行電子束檢查。或者他們可以對(duì)印有掩模的晶圓進(jìn)行電子束檢查。在某些方面，潛在技術(shù)太多，行業(yè)的焦點(diǎn)和資金可能會(huì)被稀釋?！?/p>

結(jié)論

曲線掩膜的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。下一步是將其引入 HVM，但這帶來(lái)了整個(gè)行業(yè)必須積極應(yīng)對(duì)的許多挑戰(zhàn)。從多光束掩模寫(xiě)入器到多邊形方程以及更大掩模版的可能性，制造、計(jì)算以及改變光掩模的創(chuàng)建和使用方式的過(guò)程正在發(fā)生變化。

在最近的一次演講中，英特爾掩模操作和晶圓廠計(jì)量技術(shù)開(kāi)發(fā)副總裁 Frank Abboud 稱曲線“美麗”。“它有價(jià)值。它對(duì)波形有價(jià)值。它對(duì) OPC 引擎有價(jià)值。它具有很大的價(jià)值，我們需要讓它成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

編輯：黃飛