导航: 摘要 随着半导体制造工艺迈进130纳米乃至更先进的技术节点，光刻技术由一门技术转变为一项科学已经成为一种无法逆转的趋势。现在生产商们正致力于提高技术的研发速度和成功率力求进一步提高产品的合格率以及尽早的抢占市场。
早在30年前当光刻模拟技术初涉江湖时，它就开始力图改变以往光刻工艺需要不断反复试验优化表现的状况，进而将光刻技术由一门技术转变为一项科学。过去，由于业界制造的图形其尺寸往往数倍大于所使用的曝光波长，导致实现这一宏图大愿的时机尚未成熟;但如今，星转斗移，随着光刻技术越来越深入亚波长领域，这一理念已经变成了一种无法逆转的技术发展趋势。“今天制造的集成电路芯片已不是原先的那种简单的电路元件，其中图形布局的复杂程度已经大大超出了人们的想象。” Brion Technologies资深技术主管Jim Wiley说。
需要光刻模拟的一个关键因素是光刻技术正变得越来越复杂。数百个不同的工艺参数，这远远超过了人的处理能力，没有软件的帮助想要掌握它们之间交互作用几乎是不可能完成的任务。“过去，你能够通过分别优化食物链或供应链中的个体环节，进而实现整体表现的飞跃，”Cadence Design Systems Inc. DFM（可制造性设计）部RET产品市场拓展主管Bob Naber说：“而如今，随着技术日益复杂工艺的冗余度也越来越小，这导致以往的处理方式已不能满足生产的需要，为了获得最大利益，你必须基于整体优化各个参数而不能仅仅拘泥于局部环节。”
到了45纳米技术节点，印制图形的尺寸几乎是所使用的193纳米曝光波长的四分之一。而节距更是达到了亚分辨率—130-140纳米尺寸，ASML MaskTools总裁兼首席执行官Dinesh Bettadapur介绍。“在这种情况下，作为光学模拟的一个重要组成部分的极限光学临近效应需要被全面而深刻的理解和掌握。另外，这些小尺寸的图形和富有挑战的空间周期需要使用超高数值孔径的浸没式扫描光刻设备以及光学极化技术，”他说：“光刻工艺中所使用的各种模型例如光刻胶模型、光学临近效应修正模型以及成像模型必须能够给与支持。如果这些模型准确且模拟结果与实际硅片表现能够很好的吻合，那么这就意味着可以得到一个稳定和可预测性的工艺表现。”
使用光学模拟软件的根本原因是为了提高产品的合格率及便于半导体厂商进行生产制造。比方说，模拟软件能够减少掩模版的改版次数，KLA-Tencor Corp.副总裁兼工艺分析部总经理Ed Charrier举例说：“如果你花费了两或三个月时间制版、流片，但却发现出现了问题，随后不得不推倒重来，如此反复，直到得到满意的结果，毫无疑问，减少循环即是减少成本和提高盈利，如果能够减少这样的一个循环，就相当于每天带给工厂$1M的利润—这是一个不小的数目。”
根据来自VLSI Research的研究报告，对一个月产40，000片硅片、毛利润达到48%的300 mm半导体制造公司而言，即便产品合格率增长1%，其年利润就能提高5,800万美元。每一代半导体工艺，生产商提高产品合格率的速度也越来越快。Intel公开了每一代半导体工艺的成品率提升的数据，它的65纳米技术实现成熟的合格率用了不到两年的时间。AMD的过去三代半导体技术，其每一代达到成熟的合格率所用的时间仅为上一代的80%。
获得必需的成品率是使产品尽早进入市场的一个关键因素。“现在对于市场而言，时间单位是周，而过去你常常花费数月或数年时间推出产品，并逐步实现盈利，” Synopsys Inc.生产增强技术部主管Tracy Weed说：“这些产品是不断推动技术前进的原动力，如果不能及时满足需求，轻则你将损失市场;重则你可能一无所有。因此这也就是模拟技术的优势所在。”
光刻模拟技术的变迁
Charrier已经使用KLA-Tencor的Prolith模拟软件12年了，他目睹了光刻模拟软件变迁的历史—最初光刻工程师使用类似计算器的模拟工具并为了解决一个光学问题而全力运算，如今先进的模拟软件能够一次解决许多问题并进而加速工艺研发和更好完成生产制造。
今天，半导体制造从基础研究到设计图形制版的方方面面都随处可见光刻模拟技术的身影。模拟软件能够帮助工程师们了解并掌握光刻技术的内在原理;模型能够指导工程师选择光刻胶、掩膜版及照明条件，在此之前这些都是依靠实验完成的。更进一步，光刻工艺的研发工程师依靠模拟软件可以优化工艺、选择分辨率增强技术、优化其表现以及分析相关的数据。目前，模拟计算基本上使用常规的桌面电脑，它只能对设计中的一些小芯片组或内存模块中单一的一个字节进行计算操作。在这一领域，KLA-Tencor（它于2000年收购了Finle并获得了Chris Mack的Prolith软件）和Sigma-C处于主导地位。其它的第三方软件还有如ASML MaskTools以及IDM公司的自用软件等。
模拟软件的进一步发展是对设计芯片进行全尺寸的修正。这是基于经验或半经验模型的一种物理近似。这种软件不仅比普通桌面型模拟软件的运行速度更快（几小时就可以完成全尺寸芯片的模拟），而且精度更高（高3-10x）。这一领域，Mentor Graphics和Synopsys处于主导地位，最近Brion Technologies也不断受到认可，市场份额逐渐提高。
Charrier介绍说，现今的模拟软件不仅需要光刻工程师的参与和指导，更需要建立芯片设计师与半导体生产商之间的密切联系。近来的发展趋势是让芯片设计师掌握光刻模拟软件，从而尽可能的发现与制造息息相关的潜在问题，即得到“光刻导向型设计”。“最近，由于生产导向型设计越来越受到业界的重视，在芯片设计过程中光刻软件的重要性也不断得到凸现，” Bettadapur说：“依托光学模拟软件芯片设计师可以根据自身需要进行更为合理的设计和布局，在这一点上芯片设计师比光刻工程师更能发挥举足轻重的作用。”
除了Mentor和Synopsys两家EDA软件公司外，Cadence也进入了这一领域，它与ASML合作，在其Virtuoso分辨率加强技术软件套装中捆绑了MaskTools的LithoCruiser光刻模拟软件。“我们的目标是改变以往主要对设计图形进行设计规则检测的单一操作模式，将模拟软件捆绑交付芯片设计商，使之能够尽早的发现问题并及时加以改正，”Cadence的DFM市场拓展副总裁Mark Miller说。
“设计师需要从开始时就注意相关的每一个细节，” Cadence的DFM产品市场部主管David Thon补充道：“尽管光学临近修正位于设计图形制版的末端环节，但必须在设计开始时就时刻牢记于心。在这方面，工作做的越扎实，收获就越丰硕。”
Synopsys针对设计环节提出光刻可行性测试（LCC）以尽可能在设计中兼顾光刻工艺的需求，Weed介绍道。“它简单易用，你能够很快上手，依靠这项测试将利于设计师发现生产中的潜在问题并及时加以改正。这项技术还具有自动修复功能，”他说：“许多软件也能够帮助设计师发现潜在的问题，但问题是你必须自己手动进行修正。”
未来如果光刻技术仍然是制约半导体生产商发展的主要技术瓶颈的话，对光刻模拟技术的依赖也会与日俱增，Charrier说：“在芯片设计师和工艺工程师之间，你需要建立一个联系的纽带。而光刻模拟软件恰好能够实现这一功能。”
Sigma-C市场拓展部副总裁Thomas Blaesi对上述观点也表示赞同，光刻模拟软件不应仅是光刻工程师的专长，而更应成为芯片设计师和工艺工程师之间的联系纽带。正如图1所示那样，长久以来芯片和工艺研发之间存在着沟通的盲区。但是现在，光刻模拟软件填补了掩模板图形与生产预期表现之间的空白，而且随着技术的进步，这种作用会越来越重要。如图1的上部分所示，当芯片设计师完成设计后，他们可以依靠光学临近修正软件（OPC）改善其实际表现。而之所以这种仿真、模拟能够比较准确的反映真实情况是因为工艺工程师在反馈数据和提高软件表现方面做了大量的工作，如校准光刻胶模型、调节曝光能量和焦深模型、测量光学镜头模型以及其它大量相关工艺参数等。
工艺研发
而在可制造性设计成为最普遍、最主流的设计方法之前，光刻工程师们往往采用模拟软件来完成工艺研发的任务。Charrier说：“当工艺水平由0.35微米向0.25微米技术节点方向发展时，作为客户的那些光刻工艺工程师们必须决定—是采用更先进的248纳米深紫外线扫描式光刻机，还是继续沿用365纳米i线扫描式光刻机？以及如果我们仍然使用i线扫描式光刻机的话，我们的工艺是否还能进一步向下延伸？”
对于光刻工程师们来说，一种长期行之有效的捷径是：通过模拟软件的辅助确定各类参数，以达到工艺上各方面性能的平衡，例如：采用四极光照还是环形光照？及采用哪种类型的光刻胶？等等。 “甚至在光刻工程师们走进生产车间、接触到工具之前，他们就能给出这些问题的答案，” Charrier说：“而对于已经存在的工具，软件也能帮助工程师做出较好的决定。”“假设你对现有的工艺流程存在着疑问，需要作一些试验。你可以选择在车间里让昂贵的光刻机暂停生产，随后进行试验制作出30片硅片;或者你也可以选择先进行几个小时的模拟仿真，确定可行的试验方案后再去车间制作少量的几片硅片，得到结果所用的硅片数量一定会远远少于没有采用模拟仿真的试验用量。”
根据Blaesi的介绍，光刻模拟技术不仅已深入到设计领域，而且在生产领域也日益流行。除了工艺研发人员之外，工艺工程师们也开始使用软件来优化工艺流程。他举了一个例子：当芯片制造商们得到的掩模板与规范的掩模板略有不同时，通过对掩模板的参数以及生产车间里的各种工具进行模拟，工程师们可以确定使用何种技术能够配合该掩模板达到最优化的表现和最好的成品率。这是对设备进行选择的一种方式。“关于采用光刻模拟技术来调整工艺流程，还有很多其它的案例，”Blaesi说：“如果你突然发现成品率迅速降低，你可以通过光刻模拟技术来调整你的工艺流程或生产线。”
全芯片尺寸的模拟
Mentor Graphics Corp.半导体设计部分辨率增强技术产品服务经理John Sturtevant介绍说，虽然光刻模拟软件成为产品研发流程中的一环已经15－20年了，但是直到大约最近4年，基于模型的光学临近修正技术才能够对整个芯片进行模拟仿真。自那以后，全芯片的模拟仿真技术已经成为光刻工艺不可或缺的重要组成部分了。“今天当半导体制造商迈入130纳米乃至更先进的技术时，你可以确信他们正在使用全芯片的模拟仿真技术，”他说。
全芯片的模拟仿真技术是传统桌面型光刻模拟软件的有益补充，而且更多的时候，这种技术用于生产制造而非工艺研发。为了获得更快的运行速度，全芯片的模拟仿真技术使用更为先进的计算机，但追求速度的同时往往牺牲了精度。Sigma-C的Blaesi介绍说，另外，与桌面模拟软件不完全相同的是全尺寸芯片模拟软件使用已经被验证的模型。“你可以实际测量特定结构的光刻表现，然后收集数据，输入模拟软件后校正模型。这样的做法仅对一个工艺点有效，”他说。但现在为了满足越来越有挑战的工艺需求，光刻工程师正不断挖掘、压榨工艺的每一分潜力，进而提升产品的合格率。所以在这种情况下，全芯片模拟就变的越发的有意义，例如Sigma-C的Solid+，它能够识别设计导致的潜在的工艺问题，并便于客户进行分析和改进。
“软件中使用的都是半经验型的模型，” Sturtevant承认：“过去通过这种方式，你可以仅在硅片上测量一些数据点而后得到精确的模拟结果。但是随着技术的进步，要求也与日俱增。现在为了得到准确的模拟结果，它需要输入10,000点以上的测量数据。”图2是测量点数与工艺技术之间的关系－在180纳米技术节点时，它仅需要大约20点的测量数据。
正是由于这种情况，Mentor已经提出了一种使用测量对象照片进行模型校正的技术。本质上，这种技术依靠对图形照片的拟合来校正模型，比方说拍摄一张含有50或100个栅电极的照片，随后将其导入软件并与相关的GDS文件进行匹配。“测量10,000个点需要15个小时，而采用这项技术仅需要在15秒中拍摄照片，” Sturtevant说。
就在去年，Mentor引入了它的全芯片模拟软件OPC Verify，其功能是对光学临近修正处理后的设计版图进行验证。Sturtevant解释说：这个软件使用了栅格运算模式取代了其它全芯片模拟软件常用的稀疏矩阵或多边形运算模式。使用TCAD模拟软件的研发工程师基本上都是基于二维栅格构建模型并进行模拟仿真的。但是考虑到计算速度，全芯片模拟软件更多趋向于使用稀疏矩阵模型。
对于早期的光刻技术而言，不同的运算模型的差异不大，原因是对于特定的多晶栅电极，在设计中与它距离最近的图形才可能会对它产生一些影响。但随着光刻技术不断向更低k1的方向前进，情况不断发生变化。“我们所知道的是：当你接近65纳米、进入45纳米或延伸至32纳米技术节点时，图形的物理间距正变的越来越小，器件密度也不断提高，但是曝光波长仍然是193纳米，解决问题的途径是不停的提高数值孔径，”Sturtevant说：“尽管我们已经做了大量的努力，但是有效k1因子的减小趋势仍然没有得到有效的抑制，现在如果你再次对特定的多晶栅电极进行研究，其结果是它不仅会受到来自周边与它距离最近的图形的影响，而且还会受到周边与它临近的图形的影响。正是由于这样的原因，当采用全芯片模拟技术进行工作的时候，将网状栅格遍布整个设计图形与传统仅在模拟图形的边界建立格点的方式相比更有效率。”
速度与精度
在全芯片模拟技术的竞技舞台上，软件供应商总是致力于平衡产品的运行速度与精度的表现。全芯片模拟软件能够快速的运算，部分原因是它采用了多CPU的处理系统，在65纳米节点为了进一步提高运算速度，软件甚至采用50或100颗CPU。然而这是以牺牲精度作为代价的，任何提升精度的操作都将损失运算的速度。
但是运算速度已经成为半导体生产中必不可少的关键因素，因此这就要求在不降低速度的前提下提高运算精度。打个比方来说 ：90纳米技术节点，线宽控制精度需要在5纳米以内。“65纳米技术节点，精度要求3纳米;而到了45纳米节点，精度则要求达到1纳米，”Blaesi指出：“为了满足越来越苛刻的要求，你必须尽可能的理解工艺的每一个环节。”
Brion的Wiley也赞同上述观点。“我们的许多客户告诉我们，如果考虑光刻工艺的整体表现，模型和光学临近修正软件自身的精度已经成为控制整个工艺误差表现的主要手段，”他说：“其原因是 ：光刻曝光设备的表现不是足够完美;光刻胶的表现不是足够完美;而模型和软件的精度表现是可以信赖和控制的。”
光刻模拟软件成功的关键是需要详尽的掌握，包括各种图形薄膜的结构信息、光刻胶表现、光学临近修正软件模型表现等各个方面的数据，Cadence可制造性设计部分辨率增强技术解决方案产品经理Wolf Staud介绍道。“放眼世界，目前还没有服务器能够完全处理如此复杂的运算。即便你将全世界的CPU全部连接起来，你也不能完成模拟运算，”他说：“因此，人们需要在一些方面进行简化，并将相关的参数加以集中、总结。”
“实际上，全芯片模拟不会降低运算的精度，这个参数是能够根据你的需要而进行调整的，” Synopsys公司的Weed说：“一般而言，模拟对象的复杂程度、需要得到的运算精度和运算时间这三者始终是互补的。”
接着上面的话题Sturtevant补充说，随着图形尺寸的不断缩小如何处理由此引发的光学现象进而确保模拟精度，这是一个重要的问题。“我们的处理方式是不断优化模型以确保软件能够从容的应对相关的问题，”他说：“我们将整套工具交付给客户，让他们根据自身的要求和时间进行运算量和精度之间的调节。”
对于半导体代工商和整合器件制造商的生产制版而言，由于其始终围绕着时间和市场这个中心，所以运算速度会是关键，这一领域将会是全芯片模拟软件的天下。而在不是非常关键的领域，桌面型模拟软件扮演了重要的角色。“我们产品的运算结果是非常精确的，但是我们也有力所不逮之处：运算的时间和模拟的范围，”Blaesi说。但是这一切正在改变，桌面型的模拟软件现在能够进行多进程运算，这将在提高模拟范围和速度的同时保证运算的精度，他补充道：“现在我们的产品能够对20微米×20微米的范围进行模拟运算，而使用平行处理后，它就能够增加到100微米×100微米。”我们未来的努力方向是尽可能的增大模拟范围而同时不降低运算精度。
“当进行先进工艺研发的时候，运算精度不能够被降低，因此我们需要采用新技术提高运算速度而尽可能的不破坏速度与精度之间的平衡，” Bettadapur也表达了相同的观点。
随着桌面型模拟软件越来越快，以往在桌面型软件和全芯片模拟软件之间的界限正变得越来越模糊。同样，全芯片模拟软件也正在不断探索新的方式以求实现精度和速度的双赢。根据Wiley的介绍，Brion利用可编程逻辑器件加速运算过程，摆脱了以往运算速度和精度之间鱼和熊掌不可兼得的历史，其产品的精度与桌面型模拟软件不分高低而运算速度快于传统的全芯片模拟软件。
Sturtevant指出，Mentor的模拟软件也开始改变以往仅在设计领域充当配角地位的状况。“我们正发现越来越多的客户使用Calibre进行光刻工艺的研发，它不仅对敏感的区域进行模拟预测，还参与优化工艺表现。比方说，工艺中究竟应该使用哪种数值孔径进行生产？究竟应该使用哪种照明条件－是四极照明还是环形照明或者是其它照明方式？即便模拟软件是为全芯片模拟而设计，但是它在高速运算的同时也具有优异的精度表现，我想这就是它受到青睐的原因。”
未来的设想
在模拟软件供应商们不断追求更快速度、更高精度的过程中，他们充分发挥自身实力，致力于新构架的研发，以满足未来对模拟软件的需求。举例来说，MaskTools 和Cadence联合业界领先的光刻设备供应商ASML，希望利用ASML在光刻设备方面积累的丰富经验进而开发出一套高性能的模拟软件。
而Synopsys正广泛联合其他EDA厂商，致力于将整个生产过程的模拟仿真结合在一起。该公司的目标之一是建立一套成品率分析系统，该系统将整合光刻模型和主要用于代工生产的工艺模型，这其中包含了化学机械抛光模型和临界面积分析等效模型。“尽管当前我们主要集中在光刻及其相关领域，但随着工艺逐渐从90纳米技术延伸至65纳米、45纳米技术节点，光考虑这些方面将不再满足需求，”Weed说道：“你将不得不考虑化学机械抛光及临界面积分析的等效模型，进而对设计进行检测和分析，并预测它们在生产中的表现。”
随着工艺的进步，尤其到了45纳米技术节点时，全芯片模拟软件需要能够应对各种可变因素。Sturtevant说，建立的模型必须能够综合考虑工艺的变化，必须保证在其工艺窗口范围内的精度表现而不仅仅局限于最好条件一点的表现。这就要求必须对多个参数进行校准。在某些方面，光刻模拟技术已经实现了很高的精度，甚至超过了生产过程中实际使用的测量工具的测量精度。“度量工具自身必定存在着一定的误差，尽管我们不愿意去谈及，”Charrier说道：“因此当你重复两次测量同一线宽时，你的测量结果也许会有1纳米的偏差;而如果你重复两次进行模拟，则仿真结果必定一致—仿真过程中一般不会存在随机误差。”KLA-Tencor开始致力于将实际测量工具的测量方法融合到光刻模拟软件中去，使之更好的与光刻模拟结果相互匹配。
附文 模拟技术的明天
尽管浸没式光刻技术在实际生产中的表现尚有一些不明之处，但是一些公司已经提出了浸没技术的光刻模型，其原因是他们掌握了这项技术的光刻机理。“很久以前我们就已经能够模拟浸没式光刻技术的表现了，时间甚至可以追溯到浸没式光刻设备出现以前，”Sigma-C市场拓展副总裁 Thomas Blaesi介绍说。他所在的Sigma-C公司主要研发桌面型光刻模拟软件。
桌面型模拟软件能够实现上述功能的原因是它们并不依赖经验数据而采用数字模型。现在，全芯片仿真软件也能够模拟浸没光刻效应的表现。“我们的处理方式是尽可能的确保软件能够覆盖足够的范围，即便未来数年内我们的客户可能并不会涉猎这些领域。” Mentor Graphics半导体设计部分辨率增强技术产品服务经理John Sturtevant说。Mentor掌握光学极化效应，现在需要的是等待半导体厂商技术跟进。他说：“我们的客户正在逐步引入浸没式光刻技术并开始使用Calibre构建包含光学极化效应的光学模型。”
根据KLA-Tencor工艺分析部总经理、副总裁Ed Charrier的介绍，当迈入浸没式光刻技术领域时，光学或化学技术谁将占据主导地位，这是一个重要的问题。这个决定将取决于模拟软件公司和他们的客户。“而且浸没式光刻技术还有一些其它的问题，比方说，当在硅片边缘曝光时，你会遇到湍流效应。这将会导致硅片边缘和中央芯片的曝光表现产生差异，” Charrier说：“由于这些问题与流体动力学关系密切而不属于光学范畴，它们将不能使用光学模拟软件进行模拟预测。因此对于它们，业界或制造商往往会采用其它的解决方案。但站在纯光学效应的角度，镜头的极化效应等一系列问题我们现在已经能够进行模拟仿真了。”
Cadence的可制造性设计部分辨率增强技术解决方案产品经理Wolf Staud强调说，业界目前还不能提供足够的浸没式光刻技术的数据来验证模拟的有效性。“现在还有很多的问题尚待解决，”他说，比如复杂的光学效应、极化效应以及掩膜版的三维效应等。“实际上，相对业界技术发展来说，模型是滞后的;模拟软件也是如此。但是，从去年或前年下半年起，我们已经在模拟领域获得了许多突破，这也使得模拟技术可以跟上技术发展的脚步。”
尽管浸没式光刻技术已经可以被很好的模拟了，ASML MaskTools总裁兼首席执行官Dinesh Bettadapur强调仍然有许多工作要做。“比方说，光刻胶模型要能够精确的预测光刻胶的表现、高数值孔径的成像模型要能够覆盖薄膜和光学的极化效应、以及光学临近修正模型要反应实际的光刻设备的照明表现和包含三维掩膜版效应等方面，”他说。
而且，使用数字模型或校准模型来模拟浸没式光刻技术的表现，业界对这两者的差异也存在争议。Brion Technologies资深技术主管Jim Wiley给出了一个解释：“理论型的模拟是依赖于业界的实际状况，全芯片模拟基于你真的测量了硅片的实际表现。而且只有当你真的光刻了实际的硅片后，你才有可能构建模型。因此，我告诉你现在没有使用数值孔径达到1.2的照明条件生产的硅片，这也就意味着没有人有这个级别的模型。但是大家都在等待，也许在几周后人人都将得到一枚这样的硅片。所以说，你有硅片，然后你就能够建立模型。”
EUV模拟仿真
关于能否使用模拟工具对极紫外光刻技术进行仿真，也存在着类似的争议。很长一段时间以来，极紫外光刻都被视作下一代主流光刻技术，然而，针对该技术的模拟仿真才刚刚起步，只在小范围内得到了发展。“我预测，随着极紫外光刻技术日益被生产厂商们接受，将会有更多的极紫外光刻技术模拟软件推向市场，”Bettadapur说道。ASML即将推出极紫外光刻设备，ASML MaskTools也计划提供该方面的模拟和优化软件。
正如Blaesi所说，在过去的两年中，Sigma-C公司一直在极紫外光刻技术领域进行着研究，他们成功的保障主要是深刻的理解了极紫外光刻技术的物理基础，并由此构建了仿真算法。
尽管与现有的光学工艺相比，极紫外技术有着不少与众不同之处，但Bettadapur并不认为实现极紫外光刻模拟技术将会是一项很大的挑战。“这需要建立一些新的模型和一个新的分析引擎，本质上来说，构建这个引擎将能够进一步突显极紫外光刻技术独一无二的强劲实力，”他说。