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利用基於模擬的光罩缺陷鑒定工具縮短晶圓代工廠的周轉時間

上網時間: 2003年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Virtual Stepper  OPC  PSM  wafer  silicon 

藉由採用光學接近校正(OPC)和相移光罩(PSM)等技術,積體電路設計和製造業向0.18微米及更小特徵尺寸推進的速度加快了,但是在採用新技術的過程中如果應用不當,設計小組將遇到投片成本很高和周轉時間漫長等問題。本文就以聯電(UMC)與Numerical Technologies公司的實際應用案例為研究對象,說明怎樣才能讓先進的光罩技術更快地投入生產。

隨著半導體行業的發展,向0.18微米及更小特徵尺寸推進的速度正在加快,因而對設計到製造流程的各個環節正產生深刻的影響。由於IC的特徵尺寸小於現有光刻設備的波長,這使得光學接近校正(OPC)和相移光罩(PSM)等技術的採用成為必然選擇。而這些技術的採用必然會帶來龐大的數據文件,這會影響光罩設備的成本和周轉時間,並為光罩檢查帶來困難。例如,過去光罩上每個額外的特徵都會被認為是光罩缺陷,採用OPC之後,在光罩檢查的過程中,必須考慮各個額外特徵是否確實是一個缺陷。如果處理不當,設計小組將會受到投片成本高昂和周轉時間漫長等問題的困擾。

在採用次波長技術方法來縮減光罩成本和周轉時間方面,聯電(UMC)與Numerical Technologies公司為克服這一挑戰展開了深入合作,本文就以這兩家公司採用Virtual Stepper軟體產品來改進光罩鑒定過程的實際案例為研究對象,說明怎樣才能讓先進的光罩技術更快地投入生產。

次波長需求對光罩製造的影響

近年來,光罩缺陷的分析和處理採用的是一種作業人員介入和自動光罩檢查相結合的方法,以定位和修復所有缺陷(圖1上部)。這種對光罩品質進行‘全部檢查、全部修復’的方法在‘超波長’條件下工作,針對的是0.25微米以上的特徵尺寸。

但是,隨著半導體行業現在開始面對100nm和70nm以下次波長特徵尺寸的量產問題,這種方法陷入了困境。光學接近校正和相移技術的採用從根本上改變了作為原來的視覺光罩檢查方法基礎的‘所見即所得’模式。升級到先進檢查工具或簡單地提高現有工具靈敏度的傳統選擇也變得不可行了。現在的問題是,檢查系統標記出來而在光刻過程中可能並不會印刷到實際投片上的缺陷太多了。對於一種先進的光罩,從一個典型檢查系統中輸出的多達90%的缺陷都是這種‘干擾’缺陷。對這些干擾缺陷進行修復有很大的風險(可能會增加更多的缺陷),此外還有時間的消耗、代價高昂等問題。光罩製造商和晶圓廠可以自行嘗試解決這些問題,但如果沒有一種高效管用的工具來幫助評估次波長光刻的效果,它們很難成功。

一種全新的方法

UMC很早就明白,解決這個問題需要一種全新的方法。為了加強與其供應商之間的聯繫並精簡其光罩過程,UMC與Numerical展開合作以共同確定一種基於模擬的光罩缺陷鑒定方法。

Numerical於2000年12月首次在次波長相關技術項目上與UMC展開合作。那一次,UMC獲得了Numerical相移專利技術的授權,利用這項技術在自己的0.13微米MPU製造製程中生產70nm特徵尺寸的產品。2001年2月,雙方展開了一個試驗計劃,在Virtual Stepper的基礎上開發一套基於模擬的光罩缺陷檢查和鑒定設備,應用於大規模量產環境。在這個聯合開發計劃下,Numerical與UMC的光罩品質工程小組及其光罩提供商和晶圓生產廠展開了緊密的合作,使該系統具有對包含OPC和相移結構的先進光罩進行處理的能力。雙方還計劃研究基於Internet的工具,以改善即時檢查能力、光罩製造商與晶圓工廠小組之間的通訊水平,從而提高總體產能。

基於模擬的光罩缺陷鑒定

新方法要求光罩檢查標準建立在最終的晶圓檢查結果,而不僅僅是光罩本身之上。在每一個光罩上進行晶圓檢查顯然成本過高,因此UMC嘗試尋找一種易用而精確的模擬工具。Virtual Stepper系統是一種著名的整合光罩鑒定軟體,它被選擇用來執行模擬,並準確地預測在一系列特定處理條件下哪些光罩缺陷會最後傳遞到投片上。

在一個最新式的步進器中,Virtual Stepper先進的模擬引擎對光學系統進行模擬。這個工具將光罩檢查和覆審系統產生的光罩圖作為輸入,輸出的印刷圖與將在投片上呈現的模樣完全相同。聚焦窗口、幅度縮放曲線等多種過程窗口分析選項可以幫助UMC公司的工作小組對結果進行量化。這個軟體靈活的腳本語言編程能力允許他們引入不同的檢查功能,滿足檢查和製造過程的需要。

為了執行模擬,Virtual Stepper採用了Numerical公司專有的模擬模型,這個模型考慮了影像系統的波長、衰減因子、數位孔徑、相關因子和光罩模式,同時還考慮了棱鏡偏差和保護層的影響。同樣的技術(模擬引擎和對校準模型的使用等)也用在Numerical公司所有的次波長解決方案中。由於設計到投片的整體製程變得越來越複雜,對錯誤假設和不一致模型的容差越來越低,這項技術的重要性就更高了。

為了確定模擬的總體準確性,需要對不同光罩類型上的多種缺陷進行徹底的考察。表中列出了對包括雙光強度光罩(BIM)、衰減和交變孔徑相移光罩在內的先進光罩所做的一些實驗。‘檢驗缺陷鑒定設備’一項顯示了UMC公司為在生產環境下評估Virtual Stepper所進行的協作和大量測試。圖1:在傳統的光罩檢查流程中,‘全部檢查,全部修復’方法將標記大量‘干擾’缺陷,導致漫長而昂貴的重覆迴圈處理。一種基於軟體的模擬器能適應不同的製程,並易於整合到生產流程中,方便光罩製造商與用戶之間的銜接。

光罩製造商和晶圓生產廠共享重要的缺陷資訊

UMC考察了八種最先進的生產設備的工作過程,這些設備分別位於新竹和台南科技園區。UMC從多家光罩供應商購買了在這些工廠使用的光罩。另外,決策者們可能常常要接觸全球的國際客戶。因此,新的光罩設備必須執行一種公用的語言和方法,以便所有的光罩製造商和光罩用戶都能識別和分享。

Numerical公司的開發小組設計了i-Virtual Stepper,使通訊能以一種準確、快速和一致的方式進行。UMC可以與它的光罩供應商一起工作,確定一個具體的光罩如何在UMC的某種特定設備上工作(針對一種先進的製程技術),即使這個光罩暫時還沒有交付給晶圓生產廠。同時,這間工廠現在可以儘快地處理有可能對它在一條特定生產線上使用這個光罩的能力產生重大影響的所有缺陷。這會帶來成本的節省(藉由減少修復工作)和更快的周轉時間(藉由降低光罩的返回率)。

Virtual Stepper的用戶界面使用了標準的網路瀏覽器。通訊功能元件在後台工作,允許UMC的員工和客戶(無論在本地還是在世界上其他任何地方)直接存取數據和進行即時協作。該系統提供了在內部網路、Internet和獨立模式之間的切換選擇。UMC的整個製程過程都得益於這套新的光罩設備,包括晶圓生產廠和光罩製造商的工程師,以及輸入和輸出品質控制人員。這項技術尤其方便了希望能夠快速存取光罩檢查數據的技術專家和需要即時分析缺陷的嚴重性和修復後的可印性的修復工程師。此外,在光罩製造中/後期,遠端客戶可以輕鬆地介入光罩製造過程,提供對光罩調整的即時反饋。

生產中的自動缺陷嚴重性評定(ADSS)

Numerical的小組開發了ADSS功能,使Virtual Stepper能夠方便地用於UMC公司的量產環境。ADSS將缺陷光罩圖像與一個參考光罩圖像進行比較,考慮由於缺陷引起的晶圓臨界尺寸(CD)變化、缺陷製程窗口的影響、該區域中標準特徵的CD偏差容限。然後,用一個從0到10的數值來評定每個缺陷的嚴重性。藉由自動區分真實缺陷和干擾缺陷並確定光罩缺陷對印制圖像的影響,ADSS功能降低了對人工介入的需求。這有效地減少了總的缺陷檢查時間和製造成本。表1:在先進光罩上評估和應用模擬技術的有關概括數據。

UMC公司的小組現在可以存取一組精確的數據並與它的光罩供應商共同作出決策:修復、否定、忽略或放棄一個缺陷。一旦某個干擾缺陷被識別出來之後,就可以有把握地忽略它。在平行地執行模擬時,Virtual Stepper藉由將步進器光學裝置和製程知識與光罩檢查進行緊密結合,減少了對人工檢查缺陷列表的要求。

多方面的改進更增強了Virtual Stepper作為一個生產工具的能力。這個工具現在可以支援多種平台(Windows NT/2000和UNIX)和資料庫(MSSQL、Oracle)。系統還支援可延伸的分散式處理(多處理器和叢集),支援針對任務的所有光罩文件格式,因為它允許一邊進行光罩檢查一邊在後台繼續執行任務。

模式轉換減少了周轉時間和成本

透過採用新的方法,光罩廠商現在將使用基於模擬的鑒定工具來進行光罩審查和簽發,而UMC等晶圓廠商將使用它們來執行光罩檢查、修復和重新鑒定等工作。在晶圓代工廠方面,它們接收到光罩圖之後,就將採用光罩製造商控制輸出品質的同樣步驟和工具(輸入品質控制、光罩重鑒定)來執行缺陷分析。這種方法為光罩廠商和光罩用戶之間的可靠通訊開闢了一個新的管道。

從人工介入邁向自動處理是伴隨次波長複雜度的增加出現的必然轉變。不過,真正的模式轉變是,輸出品質保證(OQA)和輸入品質檢查再也不能分立看待了(如圖1所示)。採用新的設備之後,建立在Virtual Stepper的精確模擬所收集到的數據上的OQA決策可以由晶圓廠的OQA檢查人員即時存取,因為光罩製造商和晶圓廠的有關人員已經藉由緊密合作排除了虛假缺陷並做出了重要的修復決定。新系統可以進行統一的分析,不受作業人員或工作班次輪換的影響。藉由採用這種新方法,即使在最終產品輸出之前,每個人都能準確地知道所進行的工作是什麼,什麼時候、由什麼人實施,具體參數和製程要求是什麼。

這免除了在光罩製造商和晶圓生產廠之間來回運送光罩造成的時間浪費和可能造成的損壞。更重要的是,返回率的降低也節省了成本。對於光罩製造商來說,光罩的產量提高了,因為它們無需由於不影響投片製程的缺陷而重做或廢棄光罩。從檢查的角度來看,Virtual Stepper具有檢查人員和光刻工程師的智慧和經驗,這就降低了對人員素質和培訓的要求,允許有選擇性地對檢查資源進行部署。最後,Virtual Stepper使由於光罩原因導致晶圓損失的風險降到了最低。

為未來進行合作

UMC在0.18微米及更小尺寸的製程上為客戶生產了大量晶片,它們都具有次波長特徵,這使該公司一直在努力將這些製程的先進光罩快速用於自己的生產線。藉由採用Numerical公司的Virtual Stepper工具,UMC可以在其晶圓生產廠接收到具體的光罩之前就能預測投片的生產結果。UMC希望能從根本上減少將光罩返回給其供應商的次數,從而改善周轉時間和獲得先進光罩的成本。

作者:


W.B. Shieh


UMC

Jason Huang


Numerical Technologies公司




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