文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

在光學(xué)光刻中，隨著特征尺寸不斷接近曝光波長(zhǎng)，傳統(tǒng)二元掩模因光的衍射效應(yīng)導(dǎo)致圖像邊緣模糊、對(duì)比度下降，難以形成清晰圖形。相移掩模（Phase Shift Mask, PSM）通過在掩模特定區(qū)域引入精確控制的相位差，利用光的干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)分辨率增強(qiáng)。其核心思想是使相鄰光波產(chǎn)生180度相位差，在相遇處發(fā)生相消干涉，光強(qiáng)降為零，從而物理上“創(chuàng)造”出暗區(qū)，極大銳化明暗邊界，提升圖像對(duì)比度和焦深。

技術(shù)原理

傳統(tǒng)二元掩模由透光區(qū)（石英）和不透光區(qū)（鉻）組成。當(dāng)光通過緊密相鄰的開口時(shí)，衍射導(dǎo)致光波散開并相互干涉，在晶圓平面形成模糊圖像。相移掩模的解決方案是在特定區(qū)域引入180度相位偏移。當(dāng)兩束相鄰光波存在180度相位差時(shí)，相消干涉使光強(qiáng)為零，從而顯著提高分辨率和焦深，且這種改善與曝光波長(zhǎng)和抗蝕劑技術(shù)無關(guān)。

從波動(dòng)光學(xué)角度看，掩模圖形可用透過率T與相位Φ描述。對(duì)于兩個(gè)相鄰狹縫，若透射光相位相同，則振幅相加，像融合為單峰無法分辨；而交替型PSM上相鄰狹縫存在180°相移，復(fù)振幅相減使兩者之間強(qiáng)度分布為零，狹縫可被分辨。在傅里葉空間中，交替型PSM使衍射光周期加倍、衍射角減半，0級(jí)光（所有區(qū)域平均透射振幅）消失，正負(fù)一級(jí)光通過投影物鏡光瞳并發(fā)生干涉，形成與掩模圖形周期相同的干涉條紋。

主要類型

相移掩?？煞譃閺?qiáng)相移和弱相移兩大類。強(qiáng)相移掩模由兩個(gè)不同相位值的全透光圖形（T=1，Φ=0°/180°）與不透光圖形（T=0）組成；弱相移掩模包含半透明圖形（0

1. 強(qiáng)相移掩模：交替型相移掩模

交替型PSM（如Levenson型）在密集線條/空間圖案中讓相鄰?fù)腹鈪^(qū)域交替具有0°和180°相位，使所有透光區(qū)域之間發(fā)生相消干涉，實(shí)現(xiàn)頻率倍增。其分辨率提升最顯著：結(jié)合I-line（365nm）可達(dá)0.18μm，結(jié)合DUV（248nm）可達(dá)0.08μm，且在特定條件下能提供最高焦深。然而，交替型PSM存在“相位沖突”問題——不同相位值透光區(qū)域的過渡位置會(huì)產(chǎn)生多余的光刻膠線條。實(shí)際解決方案是采用修剪掩模進(jìn)行多次曝光，即先用交替型PSM曝光關(guān)鍵圖形，再用二元修剪掩模去除相位變化處的不期望圖形。這種方法增加了成本和復(fù)雜性。

無鉻相移掩模（CPL）是一種特殊的強(qiáng)PSM，所有區(qū)域都透光，僅對(duì)相位進(jìn)行空間調(diào)制（0°/180°交替）。它避免了相位沖突，且由于無吸收層，像強(qiáng)度高于交替型PSM。無鉻PSM只能用于曝光較細(xì)的線條（如晶體管柵極），其掩模誤差增強(qiáng)因子很小，對(duì)掩模尺寸偏差不敏感。但制造和檢測(cè)難度大，需要嚴(yán)格電磁場(chǎng)仿真來量化三維掩模效應(yīng)。

2. 弱相移掩模：衰減型相移掩模

衰減型PSM用部分透光的衰減材料（如MoSi，厚度68nm，波長(zhǎng)193nm）取代傳統(tǒng)不透光鉻層，該材料既能衰減光強(qiáng)（通常透光率6%-30%），又能引入180°相位偏移。其優(yōu)勢(shì)在于通用性強(qiáng)，可直接用于大多數(shù)圖形設(shè)計(jì)，制造流程接近傳統(tǒng)二元掩模。高透射率（30%）的衰減PSM可比標(biāo)準(zhǔn)6% PSM顯著提升歸一化圖像對(duì)數(shù)斜率、降低MEEF并增加50%的焦深。主要劣勢(shì)是存在側(cè)瓣打印風(fēng)險(xiǎn)——在不該有圖形的地方因光強(qiáng)干涉意外成像，需通過光學(xué)鄰近效應(yīng)校正等技術(shù)抑制。衰減型PSM與離軸照明組合使用，可改善密集線空?qǐng)D形及孤立接觸孔的工藝窗口。確定最佳透過率時(shí)需在成像特性與旁瓣印出風(fēng)險(xiǎn)之間折中，旁瓣風(fēng)險(xiǎn)隨背景透過率增大而增加。

此外，還有針對(duì)特定應(yīng)用的新型PSM，如棋盤格PSM（針對(duì)接觸孔陣列，通過棋盤式相位排列提升光學(xué)效率）和EUV衰減PSM（優(yōu)化吸收體材料復(fù)折射率以提升圖像對(duì)比度并減輕掩模三維效應(yīng)）。

制造工藝與挑戰(zhàn)

PSM制造比傳統(tǒng)掩模更復(fù)雜，核心挑戰(zhàn)在于相位差的精確控制。主要工藝路徑包括減成法（刻蝕石英基板或沉積介質(zhì)層形成相位差）和加成法（在圖案化鉻層上沉積介質(zhì)層后二次圖形化）。實(shí)現(xiàn)180°相移所需的刻蝕深度由掩?；祝ㄊⅲ┡c下方材料（空氣或真空）的折射率差決定。無論哪種方法，都需在性能、缺陷密度和成本之間權(quán)衡，目前業(yè)界尚無明確共識(shí)。

交替型PSM面臨的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、相位沖突及修剪掩模帶來的多次曝光，大幅增加了成本。衰減型PSM需要嚴(yán)格控制吸收層的透過率和相位，采用特定的折射率n、消光系數(shù)k和厚度參數(shù)組合。缺陷檢測(cè)與修復(fù)也因相移層的引入變得更加困難。

PSM正與計(jì)算光刻深度融合，其設(shè)計(jì)與光學(xué)鄰近效應(yīng)校正、光源掩模協(xié)同優(yōu)化等技術(shù)緊密結(jié)合以最大化效能。在EUV光刻中，低折射率衰減PSM等新型方案被視為擴(kuò)展0.33 NA EUV至28nm節(jié)距以下最有前景的技術(shù)之一，用于提升圖像對(duì)比度和工藝窗口。面向高NA EUV系統(tǒng)的研究也在繼續(xù)優(yōu)化PSM，以應(yīng)對(duì)更高數(shù)值孔徑帶來的新挑戰(zhàn)。