Вычислительная литография (также известная как вычислительное масштабирование ) — это набор математических и алгоритмических подходов, разработанных для улучшения разрешения, достигаемого с помощью фотолитографии . Вычислительная литография вышла на передний план технологий фотолитографии в 2008 году, когда полупроводниковая промышленность столкнулась с трудностями, связанными с переходом на 22-нанометровый процесс микропроизводства КМОП , и стала играть важную роль в дальнейшем сокращении узлов проектирования и топологии производства полупроводниковых транзисторов.
Вычислительная литография означает использование компьютеров для моделирования печати микролитографических структур. Пионерская работа была проделана Крисом Маком из NSA при разработке PROLITH , Риком Диллом из IBM и Энди Нойройтером из Калифорнийского университета в Беркли с начала 1980-х годов. Эти инструменты были ограничены оптимизацией процесса литографии, поскольку алгоритмы были ограничены несколькими квадратными микрометрами резиста. Коммерческая полночиповая оптическая коррекция близости (OPC) с использованием модельных форм была впервые реализована TMA (теперь дочерней компанией Synopsys ) и Numerical Technologies (также частью Synopsys) около 1997 года. [1]
С тех пор рынок и сложность значительно выросли. С переходом на субволновую литографию на узлах 180 нм и 130 нм, методы RET, такие как функции Assist, маски сдвига фаз начали использоваться вместе с OPC. Для перехода с узлов 65 нм на 45 нм клиенты беспокоились не только о том, что правила проектирования были недостаточны для гарантии печати без ограничивающих выход горячих точек, но и о том, что время вывода ленты может потребовать тысячи процессоров или недель времени выполнения. Это предсказывало экспоненциальный рост вычислительной сложности для синтеза маски при переходе на узел процесса 45 нм, что породило значительные венчурные инвестиции в проектирование для производственных стартапов. [2]
Начал появляться ряд стартапов, продвигающих собственные прорывные решения этой проблемы, рекламировались методы от пользовательского аппаратного ускорения до радикально новых алгоритмов, таких как обратная литография, для устранения предстоящих узких мест. Несмотря на эту деятельность, действующие поставщики OPC смогли адаптироваться и сохранить своих основных клиентов, при этом RET и OPC использовались вместе, как и для предыдущих узлов, но теперь на большем количестве слоев и с большими файлами данных, а проблемы со временем выполнения были решены новыми алгоритмами и улучшениями в многоядерных процессорах массового производства. Термин «вычислительная литография» впервые был использован компанией Brion Technology (теперь дочерней компанией ASML ) в 2005 году [3] для продвижения своей аппаратно-ускоренной платформы моделирования полной литографии чипа. С тех пор этот термин использовался в отрасли для описания решений по синтезу полной маски чипа. Поскольку 45 нм выходит на полную мощность, а внедрение EUV-литографии задерживается, ожидается, что 32 нм и 22 нм будут работать на существующей технологии сканеров 193 нм.
Теперь не только производительность и возможности касаются восстановления поверхности, но и новые методы вычислительной литографии, такие как Source Mask Optimization (SMO), рассматриваются как способ выжать лучшее разрешение, специфичное для данного дизайна. Сегодня все основные поставщики синтеза масок остановились на термине «вычислительная литография» для описания и продвижения набора технологий синтеза масок, необходимых для 22 нм.
Вычислительная литография использует ряд численных симуляций для улучшения производительности (разрешение и контраст) передовых фотошаблонов. Объединенные методы включают технологию улучшения разрешения (RET), оптическую коррекцию близости (OPC), оптимизацию исходной маски (SMO) и т. д. [4] Методы различаются по технической осуществимости и инженерной целесообразности, что приводит к принятию некоторых и постоянным исследованиям и разработкам других. [5]
Технологии повышения разрешения , впервые примененные в поколении 90 нанометров , используют математику дифракционной оптики для определения многослойных фазосдвигающих фотошаблонов , которые используют интерференционные узоры в фотошаблоне, повышающие разрешение на поверхности печатной пластины.
Оптическая коррекция близости использует вычислительные методы для противодействия эффектам размытия и недодержки, связанным с дифракцией, путем изменения геометрии на маске с помощью таких средств, как: регулировка ширины линий в зависимости от плотности окружающих геометрий (след, окруженный большой открытой областью, будет переэкспонирован по сравнению с тем же следом, окруженным плотным узором), добавление концевых заглушек «собачья кость» на концах линий для предотвращения укорачивания линий, коррекция эффектов близости электронного пучка.
OPC можно в целом разделить на основанные на правилах и основанные на моделях. [6] Технология обратной литографии , которая рассматривает OPC как обратную задачу построения изображения, также является полезной техникой, поскольку она может предоставлять неинтуитивные шаблоны масок. [7]
Помимо моделей, используемых для RET и OPC, вычислительная литография пытается улучшить технологичность и выход годных чипов, например, используя сигнатуру сканера для повышения точности модели OPC: [8] поляризационные характеристики зрачка линзы, матрица Джонса линзы шагового двигателя, оптические параметры стека фоторезиста , диффузия через фоторезист, переменные управления освещением шагового двигателя.
Вычислительные усилия
Вычислительные усилия, лежащие в основе этих методов, огромны. Согласно одной из оценок, вычисления, необходимые для корректировки геометрии OPC с учетом изменений фокусировки и экспозиции для современной интегральной схемы, займут около 100 процессорных лет машинного времени. [9] Это не включает моделирование 3D-поляризации источника света или любой из нескольких других систем, которые необходимо моделировать в производственных вычислительных фотолитографических потоках изготовления масок. Brion Technologies, дочерняя компания ASML , продает стоечный аппаратный ускоритель, предназначенный для использования при выполнении вычислительных литографических расчетов — цех по изготовлению масок может приобрести большое количество их систем для параллельной работы. Другие заявили о значительном ускорении с использованием перепрофилированных готовых графических карт для их высокой параллельной пропускной способности. [10]
Периодическое улучшение разрешения, достигаемое посредством фотолитографии, стало движущей силой закона Мура . Улучшение разрешения позволяет печатать меньшие геометрические формы на интегральной схеме . Минимальный размер элемента, который может печатать проекционная система, обычно используемая в фотолитографии, приблизительно определяется по формуле:
где
Исторически, повышение разрешения в фотолитографии достигалось за счет прогресса источников освещения шагового типа к все меньшим и меньшим длинам волн — от источников «g-line» (436 нм) и «i-line» (365 нм) на основе ртутных ламп до современных систем на основе глубоких ультрафиолетовых эксимерных лазеров на 193 нм. Однако прогресс к еще более тонким источникам длин волн был остановлен неразрешимыми проблемами, связанными с экстремальной ультрафиолетовой литографией и рентгеновской литографией , что вынудило производителей полупроводников расширить текущие системы оптической литографии на 193 нм до тех пор, пока не окажется жизнеспособной какая-либо форма литографии следующего поколения (хотя на рынке также были представлены шаговые двигатели на 157 нм, они оказались непомерно дорогими — по 50 млн долларов каждый). [11] Попытки улучшить разрешение путем увеличения числовой апертуры привели к использованию иммерсионной литографии . Поскольку дальнейшее улучшение разрешения за счет уменьшения длины волны или увеличения числовой апертуры стало технически сложным или экономически нецелесообразным, большое внимание было уделено снижению коэффициента k1. Коэффициент k1 можно снизить за счет усовершенствований процесса, таких как фотошаблоны со сдвигом фазы . Эти методы позволили проводить фотолитографию на 32-нанометровом технологическом узле КМОП с использованием длины волны 193 нм (глубокий ультрафиолет). Однако, поскольку дорожная карта ITRS предусматривает использование 22-нанометрового узла к 2011 году, исследователям фотолитографии пришлось разработать дополнительный набор усовершенствований, чтобы сделать технологию 22 нм технологичной. [12] Хотя рост математического моделирования уже некоторое время продолжается, степень и стоимость этих расчетов оправдали использование нового термина для описания меняющегося ландшафта: вычислительная литография.
