（电路与系统专业论文）纳米级电路光刻建模及可制造性设计研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 集成电路制造技术一直沿着摩尔定律向前进步，目前最先进的设计版图的关 键尺寸( c r i t i c a ld i m e n s i o n ，c d ) 已经达到了3 2 n m 但是伴随着先进制造的系统 性偏差也越来越显著，由于系统性偏差的效应可以用模型来模拟的，所以有必要 研究一些关键的制造过程，通过模型预测来修正或者补偿由于系统偏差带来的影 响。另外对于一些复杂的s o c 设计而言，在物理设计签收之后，仅仅依靠制造 一方通过修改版图设计( 统称为光学邻近校正) 而提高成品率的方法，已经是越 来越困难。事实上，已经迫切需要在设计的阶段就考虑制造的影响，这就是纳米 级电路的可制造性设计概念。可制造性设计技术是连接设计和制造的桥梁，通过 这个接口，原本棘手的影响成品率的问题正在被一一解决本论文就是在这样的 背景之下，探索如何获得更为精确的现象经验型模型及解决版图可制造性这两大 问题。下面概括本论文的主要研究内容和创新点： 基于类贝塞尔采样函数的现象模型校准系统一个面向超深亚微米光刻的模 型必须要能够将次级畸变因素考虑进去，或者提供反映这些因素影响的参数。但 是如果研究按照物理第一原理的方法来模拟这些畸变，会导致模拟时间过长，不 适用于全芯片版图的仿真要求。所以需要用经验的或者黑盒子模型来表征这些影 响。前人的研究发现，这些影响因素依然是可以用一个t c c 矩阵来表现的，但 是t c c 矩阵一般是比较大的，难以直接修改其参数来优化。所以本文提出了一 个新的流程即先用一系列的类贝塞尔函数对t c c 矩阵进行采样，重新得到的 矩阵，定义为b t c c ，在尺寸上已经是比较小。然后选择对角元素通过遗传的进 化算法，来寻找全局最优解。实验结果表明，利用这种方法做的模型校准可以比 较快速而准确地模拟设定的畸变影响。 插入初始s r a f 的逆向掩模综合传统的光学邻近校正技术是基于启发式 的迭代算法，将经过切割后的线段在e p e ( e d g ep l a c e m e n te r r o r ) 的目标函数下 迭代直到收敛但是在工艺技术达到3 2 n r n 及以下时，这种依赖线段进行迭代的 i 浙江大学博士学位论文摘要 方法已经过于复杂，并且在校正精度上达不到预期的要求。因此需要重新回归到 基于像素点直接数学求逆的掩模综合技术。本文提出基于二维离散余弦变换的像 素映射方式，在计算流程上先在掩模的主图形附近插入初始的次分辨率辅助图形 ( s r a f ) ，将这样的版图送入逆向综合引擎，从而得出新的版图。在插入s r a f 的位置选取上研究了单个k e r n e l 的插入方式。实验发现，插入初始s r a f 的逆向 掩模综合技术可以比较好得优化版图，降低掩模的复杂度。 基于自治o p c 的可制造性设计现有的光学邻近校正引擎只能对图形进行 一般的校正，不能在必要的地方对图形做修改或者移动本文创新性地提出了自 治o p c ( a u t o n o m o u so p c ) 的概念。o p c 引擎可以结合新的数据表示方式对一 些本来需要在布线阶段或者布线后修补的地方进行自治校正这即区别于传统的 在设计阶段进行早期通过预测的方式避免热点( h o t s p o t s ) ，又有别于现有o p c 软件只有一定校正能力的事实。初期的实验证实，这样的全新的自治o p c 的范 例，可以在精确模型仿真的基础上，通过局部的修改，达到使原本容易出现问题 的地方，或者本来工艺窗口不足够的地方，达到制造的要求，提高了工艺窗i = 1 ， 从而使得和版图相关的制造性问题得以解决。 关键词光学邻近校正、光刻建模、版图轮廓、逆向掩模综合、可制造性设计、 贝塞尔函数、遗传算法、a u t o n o m o u so p c 浙江大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t v l s ic h i pm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na d v a n v i n ga l o n gw i t ht h em o o r e s l a w t h ec r i t i c a ld i m e n s i o no fs t a t e - o f t h e a r tl a y o u ta l r e a d ya c h i e v e s3 2 n m h o w e v e r ，t h es y s t e m a t i c a lv a r i a t i o n sa r ei n c r e a s i n g d u et ot h ef a c tt h a ts y s t e m a t i c a l v a r i a t i o nc o u l db es i m u l a t e db ym o d e l ，i ti s n e c e s s a r y t or e s e a r c ho ns o m e m a n u f a c t u r i n gr e l a t e dc r i t i c a lp r o c e s s e s ，i no r d e rt o c o r r e c to rc o m p e n s a t ee f f e c t s c a u s e db ys y s t e m a t i c a lv a r i a t i o n st h r o u g hm o d e l s i na d d i t i o n ，f o rs o m ec o m p l e xs o c d e s i g n s ，i ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ed i f f i c u l tt oi m p r o v et h ey i e l do n l yt h r o u g h o p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o nf r o mt h em a n u f a c t u r i n gs i d e i nf a c t ，i ti su r g e n tt o c o n s i d e rt h em a n u f a c t u r i n ge f f e c te a r l yi nt h ed e s i g np h a s e ，t h i si sw h a tw ea l l e d d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ( d f m ) d f mi sab r i d g ec o n n e c t i n gb o t hd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h i si n t e r f a c e ，s o m ep r o b l e m sr e a l l ya f f e c t i n gy i e l da r eb e i n g s o l v e d u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i si se x p l o r i n gt w op r o b l e m so fh o wt og e tt h e m o r ea c c u r a t ep h e n o m e n a lm o d e la n dh o wt os o l v et h ed f mp r o b l e m s n e x ti sa s u m m a r i z a t i o no fm a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n s ： p h e n o m e n a lm o d e lc a l i b r a t i o ns y s t e mb a s e do nb e s s e l - l i k es a m p l i n gf u n c t i o n s a m o d e l ，f o rt h eu l t r a d e e ps u b - m i c r o no p t i c a ll i t h o g r a p h y , s h o u l dc o n s i d e ra l l s u b - d i s t o r t i o ne f f e c t s ，o rg i v eas e r i e so fc a l i b r a t i o np a r a m e t e r sw h i c hc o u l da f f e c t t h e s ee f f e c t s h o w e v e r , i fw eu s em e t h o do fu s i n gf i r s t p r i n c i p l et os i m u l a t i o nt h e e f f e c t s ，i tw i l lm a k et h es i m u l a t i o nt i m el o n g e r , w h i c hc a nn o tb eu s e di nt h ef u l l c h i p l a y o u ts i m u l a t i o n s ow eu s et h ee x p e r i e n c em o d e lo rb l a c k b o xm o d e lt oc h a r a c t e r i z e t h i sk i n do fe f f e c t s t h e r e r ea l r e a d ys o m er e s e a r c h e sf i n d i n gt h a tt h es u g g e s t e d e f f e c t sc o u l ds t i l lb em o d e l e du s i n gas i n g l et c cm a t r i x i nt h e o r y ，w ec a nc o n s i d e r t h ee f f e c t sb ym o d i f y i n gt h et c cm a t r i xc o e f f i c i e n t sd i r e c t l y h o w e v e r , t h et c c m a t r i xi sl a r g ei ns i z e ，i ti sd i f f i c u l tt om o d i f yt h ec o e f f i c i e n t sd i r e c t l y s oi nt h i st h e s i s ， w ep r o p o s e dan e wf l o w t h a ti s ，f i r s tw eu s et h eb e s s e l - l i k ek e r n e lt os a m p l et h e o r i g i n a lt c cm a t r i x ，t h e nw eg e tas m a l l e rs i z em a t r i xb t c c t h e nw es e l e c tt h e d i a g o n a lc o e f f i c i e n t so fm a t r i xt oo p t i m i z et h em a t r i xu s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h m s e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do fm o d e lc a l i b r a t i o nm e t h o dc o u l ds i m u l a t e t h ed i s t o r t i o nr e l a t e d e f f e c t sm u c hf a s t e ra n da c c u r a t e i n v e r s em a s ks y n t h e s i sb a s e do ni n i t i a ls r a fi n s e r t i o n t h et r a d i t i o n a lo p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi sb a s e do nt h eh e u r i s t i c i t e r a t i o na l g o r i t h m s i tm o v e st h ef r a g m e n t e ds e g m e n t sg u i d e db ye p er e l a t e dc o s t f u n c t i o nu n t i lg e t t i n gc o n v e r g e n t h o w e v e r , i nt h e3 2 n mt e c h n o l o g yn o d eo rb e y o n d ， t h i sk i n do fs e g m e n ti n t e r a t i o nr e l a t e dm e t h o di sa l r e a d yv e r yc o m p l e x ，a n dc a nn o t a c h i e v eh i g ha c c u r a c y t h e nw en e e dt og ob a c kt ot h ep i x e lb a s e di n v e r s em a s k s y n t h e s i st e c h n o l o g yw h i c hi n v e r s et h el a y o u td i r e c t l y i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s e da i i i 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t n e wt w od i m e n t i o n a ld i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m a t i o nb a s e dp i x e lm a p p i n gt e c h n i q u e ， a n dp r o p o s e da l li n i t i a ls r a fi n s e r t i o nb a s e df l o w w eu s et h i sk i n do fn e w g e n e r a t e d l a y o u t t of e e di n t ot h ei n v e r s ee n g i n e f o rt h ei n i t i a ls r a fi n s e r t i o nl a c a t i o n d e t e r m i n a t i o n ，w eu s et h es i n g l ek e r n e lm e t h o dt op l a c et h es r a fi nt h ec o n s t r u c t u r e p l a c e s a f t e rt h ee x p e r i m e n t s ，w ec a nf i n dt h a tt h el a y o u to p t i m i z db yt h ei n t i a ls a r f i n s e r t e di n i t i a ll a y o u tc o u l dh a v el e s sc o m p l e xf e a t u r e s d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n gb a s e do na u t o n o m o u so p c t h ee x i s t i n go p c e n g i n ec o u l do n l ym o d e r a t e l yc o r r e c tt h ep a t t e r n ，a n dc o u l dn o t m a k es o m em o d i f i c a t i o n so rm o v e m e n ti ns o m el o c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，w en o v e l l y p r o p o s e dan e wa u t o n o m o u so p cp a r a d i g m o p ce n g i n ec o u l du s et h en e ws u g g e s t e d d a t as t r u c t u r et oa u t o n o m o u s l ym o d i f ys o m el a c a t i o n so r i g i n a l l ys h o u l db ec o n s i d e r e d i nt h ep l a c e m e n to rr o u t i n gp h a s e i ti sn o to n l yd i f f e r e n c tf r o mt r a d i t i o n a lh o t s p o t s a l l e v i a t i o ni nt h ed e s i g np h a s et h r o u g hp r e d i c t i o n ，b u ta l s od i f f e r e n tf r o mt h ee x i s t i n g o p ce n g i n ew h i c ho n l yh a v el i m i t e dc a p a b i l i t y t h ei n i t i a le x p e r i m e n t ss h o wt h a t ， t h i sk i n do fn o v e l l yn e wa u t o m o u so p c e n g i n ec o u l dm a k et h ee r r o r - p r o n el o c a t i o n s o rp r o c e s sm a r g i ns m a l ll o c a t i o n sg o o d ，b a s e do nt h ea c c u r a t es i m u l a t i o n s w e e n l a r g e dt h ep r o c e s sw i n d o wa n ds o l v e dt h el a y o u tr e l a t e dm a n u f a c t u r i n gp r o b l e m s k e y w o r d so p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ，o p t i c a ll i t h o g r a p h ym o d e l i n g ，l a y o u t c o n t o u r , i n v e r s em a s ks y n t h e s i s ，d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ( d f m ) ，b e s s e l f u n c t i o n s ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ， a u t o m o u so p c 浙江大学博士学位论文图表目录 图表目录 图1 一l 芯片后端设计和制造流程。4 图1 2 系统性偏差v s 随机偏差5 图1 3o p c 几大关键技术( 源自【9 1 ) 6 图1 4 光刻模型模拟实际制造过程7 图1 5d f m 发展方向1 0 图1 - 6 本文研究的几个关键内容1 2 图2 1 光刻系统示意图1 5 图2 2 环形照明实际光源的形状1 6 图2 3o p c 处理后的掩模数据1 7 图2 - 4 光刻模拟过程18 图2 5 光波波前三要素1 9 图2 - 6 基于规则o p c 和基于模型o p c 的区别2 1 图2 7 光学邻近校正过程2 2 图2 - 8o p c 反馈迭代2 3 图2 - 9 等间距切割示意图2 3 图2 1 0 校正过程中的线段移动2 4 图2 1 1 如何计算偏移量一2 5 图2 1 2 不同形状的离轴照明光源( 黑色为透光区) 。2 6 图2 1 3 配合离轴照明的辅助图形技术( 长度为a 的线为辅助条) 。2 7 图2 1 4 围绕在孤立c o n t a c t 周围的s r a f 2 7 图2 1 5 用于c o n t a c t 光刻的优化后的光源形状 4 8 】2 8 图3 1 用于版图仿真验证的模型构成3 l 图3 2t c c 矩阵来源示意图3 3 图3 3 某种参数下的t c c 矩阵表示，平视图( 左) ，俯视图( 右) 3 4 图3 4 典型的t c c 分解后的频域二维k e r n e l 3 5 图3 5 工艺模型的参数优化过程3 6 图3 - 6 计算及优化流程3 8 图3 7 前六个零阶圆采样函数4 0 图3 8 掩模圆采样的示意图4 l 图3 - 91 4 4 x 1 4 4 的b t c c 矩阵( 实部) 4 4 图3 - 1o 栅层版图轮廓示意图4 6 图3 1 1 测试版图的类型4 7 图3 1 2 原始版图经过仿真后出现图形畸变4 8 图3 1 3 优化前后的轮廓点光强4 9 图3 1 4 优化前的仿真结果和原始数据对比5 0 图3 1 5 优化后的仿真结果和原始数据对比5 0 浙江大学博士学位论文图表目录 3 1 6 通过模型仿真后的轮廓：优化后的模型( 左) ；目标模型( 右) 5 1 4 1 逆向版图综合技术5 8 4 2d c t 2 系数表示6 1 4 3s i g m o i d 函数形状6 3 4 4 阈值表示6 5 4 5j i n c 函数6 6 4 - 61 0 0 次迭代后优化结果( 左) ；用原始版图经过计算后结果( 右) 6 8 4 7 迭代收敛曲线6 8 4 8 使用d p f f 方法的结果6 9 4 - 9d p f f 和本文算法优化后版图对比7 0 4 1 0s r a f 插入前后对比7 3 4 一1 1 初始s r a f 插入点7 4 4 1 2 添加和未添加初始s r a f 结果比较7 5 4 1 3 使用( 右) 和不使用( 左) 初始s r a f 后的结果对比7 6 4 1 4 三种不同优化方式的比较一7 7 5 一lo p c 过程融入设计流程8 2 5 2 标准单元的严重光刻畸变8 3 5 3 在布线阶段避免o p c 不友好区域 9 5 】8 4 5 - 4 典型的容易出现h o t s p o t s 的地方8 5 5 5p o w e rn e t 和s i g n a ln e t 比较8 5 5 - 6 标准单元图形结构8 6 5 7 修改h o t s p o t s 的两种方式8 7 5 8 典型的布线走线8 8 5 - 9h o t s p o t 距离v s 空白区域不存在概率8 8 5 1 0 通过局部修改消除h o ts p o t 示意图一8 9 5 1 1 传统o p c 之后( a o p c 之前) 的金属2 层空间像光强9 0 5 1 2 传统o p c 之后，a o p c 之前光强分布9 1 5 1 3a o p c 之后的金属2 层空间像光强9 2 5 14a o p c 之后的光强切线9 3 5 1 5 金属2 层和金属3 层内图形移动一9 4 5 1 6 同一层内图形移动，周围图形不动9 4 5 1 7 金属2 层和金属3 层内图形同时需要移动9 5 5 1 8c m o s 反相器符号版图示意9 6 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浙江大学博士学位论文 图表目录 表1 1d r a m 性能指标趋势( i t r s 2 0 0 8 ) 2 表3 1 遗传算法运行参数。5 1 表4 1o p c 和i l t 的比较5 5 表4 2 在不相干照明条件下的性能比较7 7 表4 3 在完全相关和部分相关照明条件下性能对比7 8 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江苤鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲力萨日期- 硝年厂月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏苤茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：露喇h 少一 导师签名： 弹醐：巧“肿日 群醐：砷胖日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 时光匆匆，转眼间在浙江大学求学已经九年，而在超大所学习研究也已愈六载。回 首五年前刚直博时，自己曾叹，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，现如今，已是临 近博士毕业，回顾这一路拼搏、奋斗的历程，值得回味的太多，需要感谢的也太多。 首先要衷心感谢我的导师陈偕雄教授和严晓浪教授。陈老师严谨的治学态度、高度 的敬业精神和宽广的胸怀令我深受感动。感谢严老师这么些年来对我的关怀，并给我提 供了一个融洽和谐、先进宽松的学习和科研环境。能成为他的学生是我一生的幸运。几 年来，无论是在实验室中，还是在讲座上，还是在路上碰上，严老师亲切随和的性格、 高屋建瓴的思想境界和敏锐的眼光，给我留下了深刻印象，并使我受益良多。 其次是要特别感谢史峥副教授，我的研究工作都是在史老师的直接指导下完成的。 史老师以其充沛的专业知识和丰富的人生阅历，在科研上指引我能够在正确的道路上台 阶式地进步，在为人处事上，也以身作则感染和教育着我。史老师带领我们小组，亦师 亦友，亦兄亦父，他的批评和教育、教导和鼓励使我受益终身 还要感谢我在超大所的老师们，他们是吴晓波、何乐年、葛海通、沈海斌、王国雄、 竺红卫、王维维、虞小鹏、罗小华、赵梦恋、张培勇等老师。几年来，所里老师们的关 心、关爱和帮助使我感觉生活学习的美好。 还有我可爱的同学们，使得实验室始终涌动着温馨和谐的气氛。感谢我的师兄师姐 们，他们是：王国雄、陈志锦、陈晔、马碉、郑飞君、杨军、翁延龄、陈晓辉、任坤等， 感谢我l l j t j , 组的李季、张一帆、周珂、李志峰、潘均儒、张宏博、张宇孚、杨讳巍、谢 春蕾、潘意杰、薛江、陈红珍、虞斐等。感谢所里同学给予我的温暖和爱护：全励、吕 冬明、孟建熠、林斌，朱椒娇、胡志卷、董文萧、周喜川、曹葵康、冀学美、黄凯、章 丹燕、楼斌等。 还要感谢我的室友郑丹丹、张婧婧、付敏、唐艳芬、李晶、孙梁，正是有了她们这 几年和我生活上的相伴，更使得读博的几年增添了几分家的温暖。 由于史老师的推荐，使我有机会在美丽的德州大学奥斯汀分校以建设高水平高校公 浙江大学博士学位论文致谢 派研究生项目访问一年。这里也要衷心感谢我的指导老师d a v i dz p a n 教授，每周和 d a v i d 单独交谈一次，在每周的组会上也能和导师沟通，他和我讨论课题、生活、工作 等，使我不仅从科研上获得启发，更从d a v i d 那里学到了很多为人处事的道理。 我要感谢我在u t a u s t i n 课题小组的同学们，他们是：k a r t r i n al u ，x i a o k a n gs h i ， p e n gy u ，k u ny u a n ，j a e s e o ky a n g ，a n u r a gk u m a r ，d u od i n g ，a s h u t o s hc h a k r a b o r t y ， j a m e sb a n ，j o y d e e pm it r a ，min sikc h o ，t a ol u o ，a n a n dr a m a lin g a m ，h a o xin gr e n ， a n a n dr a j a r m ，w o o y o u n gj a n g 等，他们在科研和生活上给了我很多帮助，使我在新的 环境中有了家的温暖。还要特别感谢来自台湾大学的t u n g - c h i e hc h e n ，我们能够经常 交流讨论，他在论文写作和课题研究上给了我很多帮助。还要感谢我在奥斯汀的朋友们， 我的室友赵涵在平时的生活中给了莫大的帮助，愿她和刘知之一生幸福；还有周绩、邵 宇芬、m i c h a e lg o i n s 等等，谢谢她们的关心 我的爸爸和妈妈一直以他们的全部给予着我全力的支持，我感谢他们给我的爱护和 培养，衷心祝愿他们健康、幸福! 感谢妹妹给我的支持和带来的欢乐，愿她能够快乐地 成长 感谢我的男友吴庆勇，已经六年多的相伴，让我们在浙大玉泉留下了几多青春的脚 步能够顺利完成多年的学业，离不开他的陪伴和默默的支持。 沈珊瑚 2 0 0 9 年4 月于求是园 第章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 徼电子产业的科学技术水平和发展规模己成为衡量国家综合实力的重要标 志之一，国家信息化的一个关键是集成电路芯片，因为我们人类已经进入了以信 息网络为核心的“新经济”时代，而以计算机和通讯产品为依托的“网络”，其 生存和每一步发展都离不开集成电路芯片技术的支持和更新。所以，为了应对国 家加入世贸组织面临的竞争以及国民经济结构战略性调整所要解决的问题，在 2 0 0 2 年启动的1 2 个国家科技专项，其中排在首位的专项课题就是“超大规模集 成电路和软件”，可见集成电路产业的重要性和受重视性。 自从1 9 5 8 年美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的j a c kk i l b y 展示全球第一块 集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 起，短短五十年问，i c 的发展已经从小规模集 成起步，经过中规模集成，发展到大规模集成，近十几年来又进入到超大规模集 成及特大规模集成时代。其实早在1 9 6 5 年，i n t e l 公司创始人之一的g o r d o ne m o o r e 就预言说半导体芯片中晶体管的数目将每隔十八个月翻一番，且其性能也 将翻倍，这就是著名的摩尔定律。事实上，集成电路的发展也确实一直在追逐摩 尔定律的脚步，每隔2 3 年就产生一代新技术，而每一代新技术的出现也导致 逻辑电路密度增加两倍，性能改善4 0 ，存储容量增加到四倍。比如i n t e l 公司 的3 2 6 4 位单核微处理器p e n t i u m4 的片内集成的晶体管数目已经超过1 亿2 千5 百万个，工作频率接近4 g h z 随着制造技术的进步，c m o s 工艺技术节点已经从2 0 0 4 年主流的0 1 3 u m 线 宽逐步发展成熟到9 0 n m 和6 5 n m 甚至是4 5 n m 以下。标志着集成电路已经进入 到纳米级时代。通过跟踪国际半导体技术发展路线图( i n t e m a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r , i t r s ) 可以发现，制造工艺在不断提高，线宽迅速 减小，芯片上集成的晶体管数目不断增加，而芯片的结构日益复杂，面积也在不 断增大【1 】制造工艺的发展已经是整个集成电路产业向前发展的决定性基础。 表1 1 显示的是2 0 0 8 年i t r s 对未来几年d r a m 按比例缩小的趋势预计。 从表中可以看到，半间距( h a l fp i t c h ) 这项标志性指标从2 0 0 7 年的6 8 n m 一直 浙江大学博士学位论文 稳步缩小，在2 0 1 0 年将达到4 5 r i m ，而到2 0 1 5 年，甚至会达到2 5 n m 的微小尺 寸。另外对套刻精度( o v e r l a y ) 的要求也进一步提高，将从2 0 0 7 年的1 3 6 n m 一直缩小到5 1 n m 的要求。 表1 id r a m 性能指标趋势( i t r s 2 0 0 8 i 】) y e a ro f p r o d u c t i o n2 0 0 7 2 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 5 d r a m d r a m1 2p i t c h 伽，矽6 85 95 24 54 03 63 22 82 5 c dc o n t r o l ( 3s i g m a ) ( n m )7 16 25 4 4 74 23 73 32 92 6 c o n t a c ti nr e s i s t ( n m )7 56 55 75 04 43 93 53 l2 8 c o n t a c ta f t e re t c h ( n m ) 6 85 95 24 54 03 63 22 82 5 o v e r l a y ( 3s i g m a ) ( n m ) 1 3 611 91 0 39 o8 0 7 1 6 45 7 5 1 然而虽然工艺在一直沿着科学的发展而进步，但将版图图形转移到硅片表面 的光刻过程却存在着巨大的瓶颈。以9 0 n m 和6 5 n m 节点为例，采用a r f 光源波 长为1 9 3 n m ，而所制造产品的特征尺寸还不到光源波长的一半，这就是在制造过 程中所谓的“亚波长光刻”，它就像用一支毛笔在微小的格子中写字一样，如果 没有其他方法的帮忙，那势必造成完全不能写出清晰的字来。 采用光刻机对载有电路版图的掩模进行光刻依然是目前集成电路制造的主 要手段。光刻过程实际上是光源投射的光线透过掩模版后在硅片上成像的过程。 投影光透过掩模模型传播到光刻胶后，能在硅片上经过蚀刻得到与掩模图形相关 的光刻图形，而掩模图形对光波来说，相 - 3 于传播路线上的障碍。根据光的传播 原理，光波通过掩模版时会发生衍射和干涉现象，因此实际投射到硅片上的光强 分布是衍射光波的叠加效果，它与掩模图形并不是完全相同的。在纳米级电路工 艺下，集成电路的特征尺寸已经远小于光刻波长，在这种情况下，光波的衍射效 应将非常明显，硅片上光刻图形与掩模版图之间的偏差不能再忽略，这种偏差也 开始成为影响芯片性能和成品率的重要因素【2 】 随着芯片集成密度的不断增加，上述光刻图形的变形与偏差变得越来越严 重。在过去的几个技术节点中，已经有各种分辨率增强技术被提出，并且应用在 亚波长光刻上，大大提高了成品率。但是每一代新的技术节点都有新的挑战，所 以需要不断地对面临的新挑战进行研究，提出新的解决方案目前，世界上先进 第一章绪论 的工艺技术已经到达了2 2 n m ，而光源波长依旧是1 9 3 r i m ，存在更大的瓶颈，所 以在纳米级电路光刻模型及分辨率增强技术和可制造性设计领域开展基础研究 工作，不仅本身具有重要的理论意义，而且对解决现阶段芯片制造面临的各种挑 战有现实意义。 1 2 集成电路设计和制造的协同 集成电路的制造和设计是紧密关联的【3 】。芯片设计包括前端设计和后端设 计前端设计主要涉及s p e c 的制定、编写v e r i l o g h d l 代码、功能仿真及行为 综合等，最后通过逻辑综合后生成门级网表。而在这之后的设计中，需要用到代 工厂提供的数据文件，比如标准单元、宏单元和i op a d 的库文件( 包括物理库、 时序库及网表库) ，通常将这之后直到掩模数据准备( m a s kd a t ap r e p a r a t i o n ， m d p ) 【4 】之前与工艺有关的过程称为后端设计。完成的设计将以g d s i i o a s i s 格式的文件交给掩模制备厂进行制造，这就进入了制造阶段( 见图1 1 ) ，后续又 包括许多过程，典型的有氧化、涂胶( r e s i s tc o a t i n g ) 、对准和曝光( a l i g n m e n t a n de x p o s u r e ) 、显影( d e v e l o p m e n t ) 、烘烤( b a k i n g ) 、蚀刻( e t c h i n g ) 及去胶 ( r e s i s ts t r i p p i n g ) 等步骤在传统过程中，芯片设计和制造是截然分开的，仅 仅依靠设计规则( d e s i g nr u l e ) 作为传递后续制造信息的媒介，而在设计完成签 收后，递交给制造方的信息仅是一些图形格式的文件，没有包含设计意图通俗 地讲，对于掩模制造者而言，他眼中的设计只是一些由简单几何图形，如多边形 ( p o l y g o n ) 、方块( c o n t a c t ) 等构成的一个复杂的版图，他并不清楚也不需要清 楚这些连接的图形是用来表示反相器或者是加法器，亦或是上下层之间的连接 线。而设计者也并不关心版图是否在制造过程中会出现畸变，所以说传统的设计 和制造流程中，角色的区分比较明显，两者之间就像有一堵围墙在中间隔开。 但是上面这种模式在目前的先进工艺制造阶段面临着种种挑战。一方面，在 芯片版图送到代工厂时，由于一些设计方法上的局限，比如形成晶体管门的多晶 硅层走线比较弯曲，金属线层过于紧密等，造成了芯片制造中频频出现断路、短 路现象，电气特性也受到了影响，最终使芯片的成品率大大下降。这就要求设计 人员在设计的时候就将一些在制造过程中的潜在缺陷考虑进去，也就是工艺信息 浙江大学博士学位论文 需要上行。而另一方面，对于制造方来说，由于只是知道版图的几何信息，并不 知道确切的设计意图，也就没有修改版图特定位置的信息，这就大大限制了芯片 的修改，从而导致成品率很难提高，这就是需要将设计意图