光学邻近修正（OPC）优化技术

如3.2节中所述，低k成像导致光刻得到的图像与一维和二维版图的设计图像形状相比，发生了严重的偏差（见图3-20）。主要效应包括：由于改变节距和线宽导致的一维图形线宽的变化、拐角处呈现的圆角和二维版图线条末端缩短现象。如果不修正，这些变化的影响是众所周知的。例如，栅极层次线宽的波动导致整个芯片范围线宽的变化（Across Chip Line Width Variation，ACLV）。在金属层次出现这种波动，将导致电阻增加。线条末端缩短将减小接触孔与下面金属互连末端的交叠，导致接触电阻增加。有源区内拐角处呈现的圆角将导致泄漏增加，或者使器件性能随交叠程度不同而发生漂移。

为了补偿这些效应，引入了一种叫光学邻近修正（Optical Proximity Correc-tions，OPC）的技术^[14-16]。其名称很好地代表了这种技术早期的工作过程，即仅仅是基于两个互连之间的间距实现修正，同时也针对拐角处呈现的圆角进行修正。现今，这个名称使人产生误解，因为实际上除了专门的光学类型外，其他效应也能得到修正。

从概念上讲，OPC是一种计算机算法，用它来调整原始设计掩膜上的图形形状。这些调整补偿了可能的成像失真，可以使最终在晶圆上光刻得到的图形尽可能地接近所期望的设计形状。图3-21所示为采用的修正类型作用示意图。通过修正掩膜版上图形的宽度对节距或者线条尺寸变化导致的线宽变化进行了修正；通过在拐角外侧增加附加的图形或在拐角内侧去除部分图形可以对拐角处呈现的圆角进行补偿；只要在线条末端扩展一定量的图形形状就可以对线末端缩短进行修正，这本质上也等效于线宽的修正。从工艺的角度看，对修正圆角来说，将线条末端扩展和增加附加图形结合在一起使用效果更好。

图3-20 二维版图的实例及其OPC影响

（T形连接线、接触压焊和梳状结构。图中位于上面是原始版图，下面的是最终的空间像，可以看见几个需要小范围OPC修正的变化）

晶圆上光刻得到的图形和原始设计的偏差不仅仅是由于光学效应，也包括光刻工艺中所有的操作步骤，从掩膜的制备、晶圆刻蚀和清洗工艺，都对图形失真有贡献^[17]。对于栅极工艺，影响电学栅长的参数除了栅刻蚀工艺外，热处理、注入和侧墙工艺也对栅长产生影响。工艺中的这些问题将在后面讨论。

在某种意义上来说，掩膜制备过程与晶圆图形光刻过程相似，它们都包括了曝光和刻蚀步骤。例如，由于在掩膜版上生成图形的曝光设备分辨率有限，掩膜上也不能生成完美的拐角。这样，掩膜图形上就出现了会导致光刻线条末端缩短

图3-21 通常的图像失真机制及其OPC补偿

a）节距变化导致的成像CD变化 b）榔头状和线条末端缩短

的圆角现象。电子束掩膜写工具表现出了与光学工艺相似的邻近效应，这是由于高能电子撞击光刻胶和下面的铬膜造成的散射引起的。这导致了掩膜版上不同节距线条特征尺寸的变化，从而加剧了光学设备带来的光刻条宽随节距变化的效应。光刻胶也是影响临界效应、线条末端缩短和圆角的关键因素。对化学增强型光刻胶中发生的复杂化学反应很难进行建模。由扩散工艺造成的图像模糊仅是造成影响的效应之一。晶圆刻蚀工艺产生的效应与图形密切相关。例如，由于图形密度、介质材料的局部带电和刻蚀过程中聚合体形成量的不同，均可能导致刻蚀速率发生局部变化。为了能够通过改变掩膜版上图形形状的修正算法对上述效应进行修正，这些效应必须具有系统性、可再现性和稳定性。随机的变化无法通过OPC来修正。

图3-21 通常的图像失真机制及其OPC补偿（续） c）内部和外部圆角

一般来说，任何一个关键工艺元素发生的变化，例如掩膜写设备的更换、晶圆刻蚀工艺的改动、光刻胶变化、甚至特征尺寸的改变，都将改变系统因素，并可能要求必须重新制备掩膜版。例如，在光刻工艺中为了获得更小尺寸的多晶硅栅而提高曝光剂量时，栅极线条CD随节距的变化以及ACLV均会加剧，这就在很大程度上抵消了期望的芯片速度的提高。(www.xing528.com)

对给定的版图，可以很好地理解其光学成像过程，从而能够较快并精确地建模。而非光学效应则相当复杂，很难描述，通常采用现象学的方式处理。可以由版图得到一组便于通过计算进行管理的参数。基于这些参数，可以计算确定对空间像的修正。一般要采用实验数据建立这些参数与需要的修正量之间的联系。选择正确的、可以用最少的参数完成最精确的修正的一组参数是成功的关键因素，特别对那些容差要求严格的版图来说更重要。如果使用的参数太多，则收集必要的实验数据将变得很困难并且非常消耗时间。参数太少又可能遗漏了一部分重要的效应，从而不能实现正确的建模。

OPC基本流程如图3-22所示。首先针对特定的版图，提取出一组参数，然后用OPC算法计算需要采用的修正，最后在掩膜版上形成一个经调整的新版图。需要的修正是基于之前收集和分析的实验数据而得到的。图3-21中还包括有版图的改进和晶圆图形的最终变化。一个OPC算法由几个关键的功能单元组成，其中一个单元的作用是将分层版图划分成多个模板。对每一个模板的修正都要单独进行计算，在计算过程中可以同时运行多处理器。然后就版图中的多边形组成部分进一步分成更小的部分，这个过程叫做分解。对如图3-16所示的二维效应进行修正需要这一分解过程。

图3-22 OPC方法的简要流程图

OPC流程的核心是用于确定每一部分移动量的算法。移动是基于期望的晶圆图像和它预计位置之间的对比，这个过程不断重复直到获得期望的精度。

可以采用两种不同的OPC方法，分别称作基于模型的OPC（Model-Based OPC，MBOPC）和基于规则的OPC（Rules-Based OPC，RBOPC），有时这两种方式联合使用。MBOPC一般是基于光学图像计算以及对那些引起图形变形的非光学机制的物理分析实现修正，RBOPC基本是纯经验的。例如，采用基于规则的方式时，首先收集如图3-21所示的对应不同节距的图形曲线实验数据。然后对每种线宽与间距的组合，为了在晶圆上获得需要的宽度，确定需要的修正量。再在规则表中对应每个线宽和间距的组合填入修正量值。算法分析每个版图，决定线宽和相邻的间距宽度，再基于规则表中的数值确定修正项。遗憾的是，对于这种方式，即使最简单的一维情况，也会导致相当大而复杂的表格。线条末端和二维情况将会生成多组更复杂的规则。然而，我们应该认识到，对于简单的一维版图中修正线宽的变化而言，基于规则的OPC在任何的OPC方式中具有最高的灵活性，而且修正步骤明确、直观，适合于对修正进行多次精细的调谐。RBOPC的主要缺点是规则设定巨大而复杂，并且设计规则使用的参数是基于设计尺寸和间距的，而这些对作为定义修正的参数而言并不十分有效。由于这些缺点，基于规则的OPC不可能在100nm节点及小于100nm以下使用。

基于模型的OPC的主要优点是它选择了比基于规则方式更有效的参数。对修正过程包含的物理理解用于建立计算修正的数值模型。这样，不仅使用了更有效的参数，而且也有定义明确的公式，覆盖了连续的参数值而不必将每个值分别列表。在参数空间选择的样本点采集实验数据，并在建模期间修正模型中的小部分变量。

基于模型的OPC方式最核心的是使用物理版图信息的卷积技术并且与一组预先确定的称为卷积核的函数进行卷积^[18]。第n个核值K_n由下式给出：

式中，k_n是第n个核函数。给出一组适当的核函数，卷积核方式最适合于计算空间像。除了可以用于简单的互连和间距图形外，更多地用于比较复杂的版图的建模。因为空间像是导致失真的关键贡献者，对于主要是由成像决定失真的情况下，这些类型的参数是一个很好的选择。因此，基于模型的修正在如图3-16所示的二维情况下表现很好，其中图像轮廓线从线条边缘处振荡展开。而这种情况采用基于规则的修正很难处理。可以说，处理这些版图的能力是针对较早的OPC方式进行的关键改进之一，并且对于像SPAM情况这类二维版图尤其重要。尽管处理非光学效应并不是设计模型时优先考虑的因素，而使用卷积核或者使用由空间像得到的参数都可以对很多类型非光学效应进行较好的建模。然而，建立非光学效应的合适模型对基于模型的OPC来说仍然是一个巨大的挑战^[19]。

因为进行光学邻近修正需要进行大量的计算，因此不可能对设计中的每一点都进行调整，而是针对现有版图图形特点，在线条边缘处选择采样点。与采样点联系在一起的是具有一定长度（称为“链长”）的线段。基于对一点的计算结果，程序将移动一个线段的位置，在这段范围内采用相同的修正量。再基于互连间距的局部变化，添加一定的点数。另外，尖锐拐角处CD变化的实例也已表明，局部邻近变化已从实际发生变化的位置向外扩展了相当的距离。为了对发生变化的范围进行充分的采样，必须在发生突变或者变化的局部环境从变化点开始向外扩展增加大量的采样点。沿着版图上需修正的方向以固定的距离放置修正点是最简单和最直接的策略。显然，线段的链长必须选择得足够小，才能适应局部环境可能出现的快速变化。然而，对于互相平行的延伸较长的线条没有必要采用同样的高采样密度，否则将导致过多的计算点和较长的运行时间。

针对局部环境的变化情况灵活确定并放置采样点是一种可行的替代方式。然而，这要求更灵活的搜索算法，不仅能检查图形内的设计变化而且能检查如前面指出的局部环境的变化。其中最具挑战性的问题是在线条末端合适地放置修正点以及相应的修正线段，这对线条末端的修正效果以及最后的光刻图形形状具有着重要的影响。设计中如何放置采样点以实现成功的形状修正与对工艺效应具有合适的建模能力一样重要。

基于模型的OPC是处理3.2节中分析的一维和二维图像失真所用的主要方式。不应该只是简单地将版图设计转化到掩膜版上，需要对转换到掩膜版上的图形进行有控制的且考虑周到的调整，其目的是消除失真。因此，进入低k时代后，基于模型的OPC已经成为一项关键的使能技术。它包含了对工艺效应进行建模的技术，使其成为优于陈旧的基于规则方式的关键优点。