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　　什么是相移掩模？

　　先進相移掩模(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。

　　當設計尺寸(CD)為0.18μm時，就必須在掩模關(guān)鍵層采用OPC (光學鄰近校正)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。

　　相移掩模技術(shù)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(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)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分布，實現(xiàn)了同一光學系統(tǒng)下的倍增分率的提高，提高的幅度近一倍。原理如下圖所示。

　　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，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(guān)的函數(shù)關(guān)系：T=入／2 (n+cosθ)。實用的相移器必須保證入射光線產(chǎn)生180°的相位移動。

　　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。通過相移器的光線正好產(chǎn)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(shù)難點之一。

　　當1982年Marc D．Levenson等人提出相移掩模技術(shù)時， 由于一些技術(shù)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(fā)展對半亞微米和深亞微米光刻技術(shù)的強烈要求，以及相移掩模技術(shù)獲得重大的突破，達到了實用化的水平，進而開發(fā)出了多種設計和制作相移掩模的工藝技術(shù)，出現(xiàn)了各具特色和優(yōu)點的相移掩模工藝方法和產(chǎn)品。

　　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。

　　先進掩模制造的基本流程

　　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(jīng)過計算機輔助設計技術(shù)處理，轉(zhuǎn)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�；�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、千法刻蝕等過程使圖案精確地定像在掩模基板介質(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(guī)模集成電路工藝加工過程中，設計數(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完整功能的極大規(guī)模集成電路芯片。

　　將設計圖案轉(zhuǎn)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。

　　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一一沖洗系統(tǒng)通過對底片復印，可得到相片；芯片制造系統(tǒng)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。

　　相移掩模(PSM)技術(shù)

　　技術(shù)發(fā)展概述和基本原理

　　先進掩模制造技術(shù)與極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)同步發(fā)展，當集成電路制造主要采用光學光刻技術(shù)時，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。

　　光刻機曝光光源的波長經(jīng)歷了436nm(G—line)、356nm(I-line)、248nm(KrF)和l93nm(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20片(100mm硅片)發(fā)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(shù)也采用OPC (光學鄰近校正)和PSM(相移技術(shù))，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(xiàn)圖形在圓片上的再現(xiàn)和批量生產(chǎn)。

　　當圓片生產(chǎn)達到0.18μm時就必須在關(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(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(shù)要點為相移掩模條寬(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)、相移掩模套準控制技術(shù)。

　　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、L e v e n S O n 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(jié)構(gòu)(Multi—Level Resist)；

　　4、全透明移相方式(All—transparent；chrom—less)，具體有利用移相器邊緣的“刀刃”效應(EdgeM a s k )、亞分辨率微結(jié)構(gòu)移相灰色效應(SubResolution)，梳狀過渡移相器(Comb—ShapedShifter)，基片表面直接移相(Phase—Shifting on theSubstrate)，聚合物結(jié)構(gòu)直接移相(Polymeric ShifterPMMA)。

　　下圖顯示了光學光刻技術(shù)中在應用相移掩模后所獲得的光學光刻分辨率的提高。

　　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、檢測等三個方面。

　　數(shù)據(jù)處理是通過專用軟件CATS對客戶數(shù)據(jù)進行處理，將客戶設計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)，并通過計算機網(wǎng)絡傳給曝光設備。

　　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，對第二種材料進行第二次曝光時有一個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(shù)。

　　圖形制作后進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)傳給缺陷修補設備進行修補。#p#分頁標題#e#

　　相移掩模條寬(CD)控制技術(shù)

　　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(guī)定比較嚴格。制程條件的動態(tài)變化和材料的不穩(wěn)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(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。

　　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)。

　　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際條寬變大時，也可以通過不加蝕刻而使得產(chǎn)品達到條寬控制規(guī)格，從而避免產(chǎn)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(shù)在規(guī)格之內(nèi)也是必要的。此外還要根據(jù)制程和材料變化進行參數(shù)的微調(diào)。

　　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，必須制訂嚴格的生產(chǎn)管理條例，定期對設備進行維護，以及對生產(chǎn)程序進行最大程度的優(yōu)化。

　　按照微粒產(chǎn)生的途徑，基本可以分為6類：

　　1、掩模基板本身所帶的微粒；

　　2、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、工作臺區(qū)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(huán)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(huán)境定期進行清潔。另外高端產(chǎn)品因為制作周期較長，其在生產(chǎn)過程中應該有機臺的優(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)品應該有專門的工程技術(shù)人員進行實時追蹤，確保其生產(chǎn)順利。

　　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(guān)：

　　1、材料：相移掩�；�板相移層的厚度直接決定了相位偏移度數(shù)，達到理想的相位偏移需嚴格控制其度數(shù)。

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