（电路与系统专业论文）描述集成电路制造过程基于卷积核的可制造性模型研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 集成电路制造技术已经进入纳米时代，目前最先进的设计版图的特征尺寸已 经达到了3 2 n m 。随着特征尺寸的减小，光刻后硅片表面的畸变现象也越来越严 重。对于一些更为复杂的版图设计，仅仅靠制造者通过修改版图的方法已经越来 越难以实现，这就迫切需要在设计的阶段就考虑制造的影响，这就是可制造性设 计的概念。设计和制造通过可制造性设计技术来沟通交流，然而传统的基于几何 图形的版图设计规则建立的约束条件难以覆盖所有的图形结构，而加入光刻规则 检查设计流程还有两个问题需要解决：保密性和易用性。本论文就是在这样的背 景下，研究一种可制造性设计模型来预测设计版图的仿真轮廓。 本文提出了一种基于卷积核的可制造性设计模型( d i mm o d e l ) ，它的输入就 是设计版图，不需要其它的制造相关的参数，就可以得到仿真轮廓输出。该模型 用一个或多个卷积核来描述设计版图和目标轮廓之间的关系，描述这种关系相当 于描述整个制造过程，包括光学邻近校正、光刻，显影以及在制造过程中产生的 各种效应。本文依靠模仿光刻模型的数学表达形式建立起d i m 模型，其求解过 程实质是解一个带约束条件的非线性优化问题，通过添加惩罚项，把问题转化成 不带约束条件的非线性优化问题，最后用最速下降法快速求得该模型。实验结果 表明，利用该模型能够较为精确地预测设计版图的仿真轮廓。 关键词：可制造性设计，可制造性设计模型，仿光刻模型，光刻胶模型 浙江大学硕：匕学位论文 a b s t r a c t t h ev l s it e c h n o l o g ys c a l e si n t on a n o m e t e rn o d e s ，s t a t e o f - t h ea r tl a y o u tf e a t u r e s i z ea l r e a d yr e a c h e s3 2 n m a st h ef e a t u r es i z ed e c r e a s e s ，i m a g ed i s t o r t i o no nw a f e r a f t e rl i t h o g r a p h yp r o c e s sb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s f o rs o m em o r ec o m p l e x l a y o u td e s i g n s ，i ti sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ed i f f i c u l tt oi m p r o v et h i sd i s t o r t i o no n l y t h r o u g hr e v o l u t i o ne n h a n c e m e n tt e c h n o l o g i e sf 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 t i su r g e n tt oc 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 ti nt h ed e s i g ns t a g e ；t h i si ss oc a 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 i m ) d i mc o n n e c t sb o t hd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，b u t t h et r a d i t i o n a lg e o m e t r y b a s e dd e s i g nr u l e si sd i f f i c u l t yt oc o v e ra l lo ft h eg r a p h i c a l s t r u c t u r e ，a n dn e wd e s i g np r o c e s sw i t hl i t h o g r a p h yr u l ec h e c kh a st w oi s s u e st ob e s o l v e d ：c o n f i d e n t i a l i t ya n de a s et ou s e i nt 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 ga d f mm o d e lt op r e d i c tc o n t o u ro fad e s i g n t h i sp a p e rp r e s e n t sac o n v o l u t i o nk e m e lb a s e dd i mm o d e l ，i t si n p u ta n do u t p u t s a red e s i g np a t t e r n sa n dc o n t o u r s ，i na d d i t i o nt ot h i s ，a n yr e l e v a n tp a r a m e t e ro ft h e m a n u f a c t u r i n gi sn o tr e q u i r e d o n eo rm o r ec o n v o l u t i o nk e r n e l sa l eu s e dt od e s c r i b e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a t t e r na n dc o n t o u r , w h i c hp r a c t i c a l l yd e p i c t st h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s si n c l u d i n ge f f e c t ss u c ha so p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ， l i t h o g r a p h y , d e v e l o p m e n ta n de t c t h ed i mm o d e l i n gh e r ei san o n l i n e a ro p t i m i z a t i o n p r o b l e mw i t hc o n s t r a i n t s b ya d d i n gp e n a l t yi t e m s ，t h ep r o b l e mi sc o n v e r t e di n t oa n o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t h o u tc o n s t r a i n t s ，a n dt h e nt h es t e e p e s td e s c e n t m e t h o di su s e dt os o l v ei t e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em o d e lc a np r e d i c tc o n t o u r a c c u r a t e l y k e yw o r d ：d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ( d i m ) ，d i mm o d e l ，l i t h o l i k em o d e l ，r e s i s t m o d e l 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝堑太堂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己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学僦文储虢嘲缮签字慨吵”芗月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝堑太堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江太堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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： 签字日期：矿卜年 导师签名： 签字日期：2 ，p 年夕月， 日 浙江大学硕上学位论文 致谢 时光飞逝，又将毕业离去。在这里我向所有关心、支持和帮助我的老师、同 学和朋友们致以衷心的感谢。 首先特别感谢我的导师史峥副教授。我的研究工作都是在史老师的指导下完 成的，在科研上，史老师以其渊博的专业知识和丰富的行业经验，指引我的研究 工作沿着正确的道路上进步；在生活处事上，史老师以其严谨的治学态度、和蔼 的教学风格和勤奋的工作作风，给我树立了榜样。他的批评和教育、教导和鼓励 是我终生受益，在此对史老师表示衷心的感谢。 感谢实验室的学长，尤其是杨讳巍师兄的谆谆指导，在我遇到问题的时候， 他总是知无不言、言无不尽地教我，帮我解决在研究工作中遇到的问题，特别是 他解决问题的方法和严谨的研究态度是我得到了很大的启发和教育。感谢谢春蕾、 沈珊瑚、陈烨师兄，在我刚进实验室的时候，就是他们给予我关于o p c 方面的 指导和讲解，使我逐步迈入集成电路制造的大门。 感谢我在超大所的老师们，他们是严晓浪、吴晓波、何乐年、沈海斌、王国 雄、王维维、竺红卫、虞晓鹏、罗小华等老师，正是他们对教育和研究工作的不 断付出，才能使得超大所的发展蒸蒸日上，为我1 1 1 仓0 造了优越的研究环境。 感谢马斌、卜士喜、周升、崔陆晟、李源深、李惠、陈雷，这些和我一起度 过两年半的同学们，以及实验室的林斌、朱椒娇、叶翼、张超、沈玄、齐晶、李 扬环等同学，与你们的朝夕相处，工作和学习上的互相帮助，给我留下了许多难 忘的回忆。 最后，感谢我的老婆何曼莉以及我的父母和哥哥姐姐们，感谢他们对我的关 怀和鼓励，衷心祝愿他们健康、幸福。 感谢浙江大学，感谢超大所! 胡志卷 2 0 1 0 年1 月 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 集成电路的发展概况 目前，以集成电路为核心的电子信息产业已经超越传统的工业产业成为第一 大产业，成为2 l 世纪经济发展的主导产业和支柱产业。微电子产业的发展规模 和科学技术水平已经成为国家综合实力的重要标志之一，而集成电路芯片是微电 子产业的基础和核心。我们人类社会已经进入了以数字化、信息化、网络化为核 心的“新经济”时代，而集成电路芯片正是以计算机和通讯产品为依托的“信息 网络”的基础，它的每一步发展都离不开集成电路芯片技术的支持和更新。目前 公布的1 3 个国家重大专项( 实施时间为2 0 0 6 2 0 2 0 ) 中，排在前三位的专项课题 分别是“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品专项”、“极大规模集成电 路制造装备与成套工艺专项”和“新一代宽带无线移动通信网专项”，它们都离 不开集成电路的发展，可见集成电路产业在社会经济发展中的重要性。 1 9 0 6 年真空电子管的问世，1 9 4 8 年晶体管的发明，到1 9 5 8 年美国t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 公司展示出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 ) ，至今百余 年间，电子技术给人类社会带来了巨大的变化，尤其是集成电路问世5 0 多年来， i c 的发展经历了小规模集成电路( s s i ) ，中规模集成电路( m s i ) ，大规模集成 电路( l s i ) ，近十几年来又进入到超大规模集成电路( v l s i ) 以及特大规模集 成电路( u l s i ) 的时代，并且系统芯片( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 时代也已经到来。 在过去的4 0 多年里，集成电路的发展速度惊人，一直印证着i n t e l 公司的创始人 之一的g o r d o ne m o o r e 提出的“摩尔定律”，即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。而且乐观的研究表明，在1 0 1 5 年内， 集成电路还会维持着这种速度发展。如在2 0 0 9 年1 2 月1 7 日，i n t e l 在美国旧金 山举行媒体会，展示了第一款3 2 n m 处理器，并将在2 0 1 0 年第一季度i n t e l 还将推出第一个集成度超过2 0 亿个晶体管的处理器。 随着制造技术的发展和进步，2 0 0 5 年初的商业化半导体芯片的主流制造技 术已经达到1 3 0 n m 的线宽，并且逐步发展成熟到9 0 n m 和6 5 n m ，朝着4 5 n m 和4 0 n m 及以下发展，这标志着集成电路已经进入到纳米级时代。根据2 0 0 9 年给出的国际半导体技术发展路线图( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a p f o rs e m i c o n d u c t o r , i t r s ) 可以发现，集成电路制造工艺日益提高，线宽继 1 浙江大学硕士学位论文 续减小，芯片的集成度迅速增加，而芯片的内部结构曰趋复杂，面积也在不断的 扩大【l j 。表1 显示的是2 0 0 9 年i t r s 对未来几年d r a m 和f l a s h 的半问距( h a l f p i t c h ) 以及m p ug a t el e n g t h 三项标志尺寸的趋势的预测。从表中可以看出， d r a m 的半间距都在稳步的缩小，在2 0 1 1 年将达到4 0 n m ，而到2 0 1 6 年， 将会达到1 5 9 n m ，同样，m p u 的g a t el e n g t h 也从2 0 0 9 年的4 7 n m 减小 到2 0 1 6 年的1 9 8 n m 。 表1 1i t r s 技术指标趋势( i t r s 2 0 0 9 1 1 ) y e a ro fp r o d u c t i o n2 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 6 f l a s h1 2p i t c h ( n m )3 83 22 82 52 32 0 1 8 1 5 9 d r a m1 2p i t c h ( n m )5 24 54 03 63 2 2 82 52 2 5 m p u a s c im 11 2p i t c h ( n m ) 5 4 4 53 83 22 72 42 11 8 9 m p ug l p r1 2p i t c h ( n m ) 宰 4 74 1 3 53 12 82 52 21 9 8 m p ug l p h1 2p i t c h ( n m ) 堆宰2 92 72 42 22 01 81 71 5 3 m p ue t c hr a t i og l p r g l p h1 6 0 41 5 3 01 4 5 91 4 2 41 - 3 9 01 3 5 61 3 2 41 2 9 1 g l p r ：p r i n t e dg a t el e n g t h g l p h ：p h y s i c a lg a t el e n g t h ； 1 2 集成电路的制造工艺 集成电路的制造工艺是半导体革命的核心。制造工艺的基础材料是一个单晶 轻掺杂圆片，目前集成电路的制造工艺所采用的主要手段就是通过光刻把掩模版 图逐层转移到经过氧化的单晶轻掺杂圆片上来。光刻技术就是采用合适光掩模把 硅片上的某些区域遮蔽起来，从而使所需要进行的工艺步骤能够有选择地应用在 硅片的其余区域。图1 1 概况了典型光刻工艺所包含的不同的操作，主要有下列 几个步骤： 1 氧化和涂胶：先在晶圆片整个表面淀积上一层很薄的s i 0 2 ，作为整个硅片的基 底，由于基底的不平整会对后续的光刻过程产生较大的影响，因此需要先通过化 学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 等手段将基底处理平整，然 后通过旋转圆片在基底上均匀涂上一层液态的光敏聚合物，即光刻胶，它能溶于 有机溶剂，通过前烘烤使光刻胶中的溶剂挥发，从而使胶层成为固态的薄膜，并 使光刻胶与硅片表面的附着力增强。由于光刻胶在曝光之后具有聚合物交键的特 性，曝光之后其化学物理性质会发生改变，根据其性质变化的不同可以分为正胶 2 * 学t 学位论卫 ( p o s i t i v er e s i s t ) 和负胶( n e g a t i v er e s i s t ) ，正胶的曝光区域会变成可溶，从而可以 用化学试剂冼去。负胶的曝光区域变成不可溶，通过化学试剂可以将未曝光的区 域冼去，而留下曝光的部分。 曝光 圈1 1 集成电路制造工艺工程 2 曝光：对准和曝光是光刻工艺中的关键工序，必须在高精度的光刻机上完成。 通过曝光，把含有设计信息的玻璃掩模( 或者光栅) 转移到硅片上，掩模上需要 加工的区域是透明的，其余部分是不透明的( 假设使用的是正光刻胶) 。 3 显影和烘烤：先对曝光后的光到胶进行前烘烤，稳定感光区域，然后用酸或碱 溶液显影圆片，去掉束曝光部分的光刻胶，经过这一过程之后，再把硅片放在低 温下慢慢烘干使留下的7 t 刻胶变硬。 4 酸蚀刻及后赴理：去掉硅片上未被光刻胺覆盖部分的材料( 如：s i 0 2 、s i 3 n 4 、 多晶硅、硅化物以及铝铜等金属) ，在基底上蚀刘出图形。后处理主要包括离子 注入和沉积，离子注入是向基底中注入各种杂质离子，得到所需要的离子分布， 而沉积则是通过在基底上沉积一层金属层、多晶硅以及隔离互连层的绝缘材料来 得到导电层或绝缘层。 浙江大学硕士学位论文 5 去胶：去胶即沙洗，用高温等离子体有选择地去除剩下的光刻胶和其他杂质而 不破坏器件层。 集成电路的制造是一个十分复杂的高精度工艺过程，总的来说它是一个通过 光刻技术把电路版图从光刻掩模上转移到硅片表面的过程。首先通过电子激光束 把版图图形信息刻写到掩模版上，在光刻过程中，光源投射的光线透过掩模版后 在硅片表面的光刻胶中形成掩模图形的空间像，此时光刻胶会发生变化，通过显 影后，版图图形就转移到光刻胶上。再通过蚀刻、后处理以及去胶等步骤之后， 版图图形最终转移到硅片表面上来。这种图形转移过程不可能是精确的，由于受 物理系统的各种限制，会存在着各种畸变。 1 3 集成电路设计与自动化 集成电路工业的高速发展，一方面得益于制造工艺迅速进步的支持，另一方 面还需要靠集成电路设计技术的不断发展。在现代的电子设计技术中，集成电路 设计一般采用“自顶向下”的设计方法，它的设计基本流程如图1 2 所示，主要 包括前端设计和后端设计。前端设计主要包括功能设计、代码编写、功能仿真、 行为综合和设计验证等，最后通过逻辑综合后生成门级网表。后端设计主要包括 电路设计、版图设计、前仿真和后仿真等，它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 库文件等。最终的目的就是在正确选择系统环 境、电路形式、标准单元结构、工艺设计方案和设计规则的情况下，最大限度地 减小芯片面积，以降低设计成本，缩减设计周期，保证全局优化，设计出符合要 求的集成电路，其最后的结果是以g d s i i o a s i s 格式存储的掩模版图。 在集成电路工业进入超深亚微米和纳米级以后，电路的集成度和设计的复杂 度也在不断地提高，i c 产品的更新换代速度也越来越快，单纯依靠人力的设计 已经无法应对电路集成度和设计复杂度带来的挑战。电子设计自动化( e d a ) 和 计算机辅助技术( c a d ) 也应运而生，集成电路设计对电子设计自动化技术和计算 机辅助设计技术的要求和依赖性也不断加大。由于当前的设计技术落后于制造工 艺技术，尤其是当电路进入更小尺寸和更大规模集成的时候，很大程度上使得设 计技术领域特别是设计自动化技术领域将面临着更大的挑战，同时也将会促使更 多的设计者进入设计领域，共同推动集成电路的进一步发展，因此这也是难得的 发展机遇。 4 * 学砸：b 学位论文 最近几年，e d a 工具已经得到了越来越广泛的应用，一些新技术和新方法也被 集成到e d a 工具中，比如可测试性设计技术，嵌入式i p 核设计技术、热点( h o t s p o t ) 检测技术、设计和制造的协同( s y n e r g y ) 、特殊电路的工艺兼容技术等。 e d a 工具大大地缩短了集成电路产品的设计周期，大幅度地减少了设计的工作， 使得超高集成度的芯片的全自动化设计成为可能。 图12 集成电路设计的基本流程 在整个集成电路设计过程中，物理设计显得尤为重要，它包含7 版图设计 5 善笋一 留鍪隧馥 * 大学士学位论i 最终是要在硅片上实现几百万乃至上千万个器件的整个电子系统的过程，它的设 计好坏直接关系到设计成本、周期功能正确性和产品鲁棒性等。在纳米级时代， 必须借助于计算机辅助物理设计工具才能完成集成电路复杂的物理设计任务。物 理设计是一个非常复杂的优化组合问题。无论是有源器件还是无源器件，都要以 几何形式存在，各个器件问的连线也要被转换成几何连线图形，并且还还受制造 工艺相关的设计规则约束，如d r c 等。在传统的设计自动化过程中，设计规则 的作用就是电路设计者和制造工艺工程师之问的接口。最近几年，e d a 工具开 发方、芯片设计公司( d e s i g n h o u s e ) 和制造商都开始认识到可制造性设计的重 要性，特别是在集成电路的可制造性成为一个世界性的研究热点后，新的e d a 技术更加注重设计者的设计意图和制造者制造工艺信息之间的最向沟通，这将极 大地改变集成电路物理设计的内涵，并引入全新的可制造性设计方法的理念。 1 4 集成电路可制造性设计 1 u m 1 0 0 n i t i 1 0 n n l 1 9 8 019 9 02 0 0 02 0 1 0 2 0 2 0 图13 光刻波长与特征尺寸 芈导体进入超深亚微米时代咀后，工艺一直随着科技的发展而不断的前进， 然而将版图图形印制到硅片表面的光刻工艺却存在着巨大的瓶颈。如图13 所示， 图中在9 0 h m 和6 5 n r a 以下，直到3 2 n m 都将采用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，以目前使用的4 0 n m 工艺技术来 说，也是采用1 9 3 n m 的光源，产品的特征尺寸还不到光封波长的四分之一，业 内把制造产品的特征尺寸小于光源波长的光到都称为“亚波长光刘”。而本来被 浙江大学硕士学位论文 预计用于3 2 r a n 或者更低节点的e u v 光源受各种技术的影响已经不再是近几年 的研究热点，更有专家指出，在2 2 n m 节点以上都将使用a r f 光源，采用1 9 3 n m 的光源。 目前集成电路制造的主要手段仍然是采用光刻机对掩模版图图形进行光刻。 光刻过程就是光源产生的光线透过掩膜版投射到硅片表面的过程。硅片表面上的 光刻胶在吸收了投影光之后会发生性质的改变，通过各种工艺技术处理，最终能 在硅片上得到与掩模版图图形相关的光刻图形。掩模版上不透明的部分对于光波 来说，相当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 干涉和衍射现象，因此硅片上的光强分布是衍射光波的叠加结果，它肯定会与掩 模图形有差异。当掩模版图形尺寸远大于光波波长时，光波衍射效应不明显，由 此产生的图形偏差可以忽略不计，即可认为硅片上通过曝光形成的光刻图形与掩 模版图形基本相同。但在集成电路的特征尺寸已经远小于光刻波长的情况下，光 波的衍射效应已经不可忽视，掩模版图图形和硅片表面图形之间的偏差将变得非 常明显。随着集成电路特征尺寸进一步的缩小，芯片集成度和复杂度不断地增加， 光刻图形的偏差将变得越来越严重，这种偏差开始成为影响芯片性能和成品率的 重要因素心1 。 在过去的几个节点中，已经有各种分辨率增强技术被提出，来应对上述偏差， 大大地提高了成品率。目前，世界上先进的工艺技术已经能够达到了2 2 n m ，而 光源波长仍旧是1 9 3 n m ，由于目标尺寸已经趋近于设备的极限，1 9 3 纳米步进光 刻机的分辨率不足以把设计师设计出来的版图精确地转换到晶圆上，所以越来越 多的e d a 厂商都把可制造性设计( d i m ) 作为最重要的课题之一。在传统设计中， 设计者并不关心版图在制造过程中是否出现畸变，这在纳米时代所导致的后果可 能是设计者所设计的产品根本无法被制造出来，如今客户要求产品价格更低、质 量更高的同时，要求交货期更短，这就要求设计者打破不关心具体生产的传统模 式，采用新的设计观念，新的设计方法，并研究产品本身的版图设计与芯片制造 之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总 体优化，提升设计产品的生产良率口1 。 d i m 的目的是为了给设计者提供一个包含设计和制造信息在内的交流平台， 使得设计者在早期即可预见不同的版图设计方案对制造的影响，从而选择具有更 浙江大学硕士学位论文 高成品率和工艺容忍度的版图h 1 。制造者将生产相关的多种信息加以总结，建立 各种生产偏差与缺陷对电路性能以及成品率影响的模型，并反馈给设计者来指导 和约束版图设计碍町口儿町。在现有的节点下，分辨率增强技术( r e t s ) 修正是必不 可少的，由于设计者多样的版图设计风格的存在，难免会有一些存在问题的图形 结构在设计中出现，这些图形结构并没有为修正留有足够的余量，不论是采用激 进式还是保守式的修正策略，都难以改善图形的质量。然而，问题只有在制造者 对设计版图进行修正并对修正后的版图进行检查时，不友好的设计才能被发现， 并且这种修正和检查都需要很长的时间。 在传统的设计模式中，设计者通过版图设计规则来约束所绘制的版图，并用 设计规则检查( d e s i g nr u l ec h e c k ，d r c ) 工具来检查版图是否有违反规则的地 方。这种设计规则主要是基于几何图形的描述，包括间距、线宽、连通性和面积 等，然而随着工艺节点的减小和设计复杂度的增加，版图设计规则的数日成倍数 的增长，不仅如此，这种基于几何图形描述的版图设计规则所建立的约束条件很 难满足生产要求。 图1 4 加入l r c 的版图设计流程 如图1 4 所示，制造者也尝试在版图设计流程中加入光刻规则检查 ( l i t h o g r a p h i cr u l ec h e c k ，l r c ) 旧1 0 1 ，即通过光刻仿真以及参数化的图形辨 别引擎查找成像效果不佳或者存在可制造问题的区域，从而提高成品率。与传统 8 浙江大学硕士学位论文 的设计流程相比，加入了l r c 的设计流程可以让设计者先行对所设计的版图进行 尝试性检查，并依据l r c 的结果修改版图。这种设计流程使得设计者在设计阶段 就能够预见所设计版图的可制造性以及成品率n 2 1 3 1 。 然而，这种设计流程还有两个问题要解决：一是保密性：在主流的开发 模式中，设计者和制造者是相互独立的主体，而对制造者来说，r e t s 修正策略 和l r c 的光刻参数等都是高度机密的；二是易用性，目前用于r e t s 修正和光 学规则检查的工具都是有版权的，对设计者来说，额外地支付这种昂贵的使用权 是难以接受的。 1 5 论文的组织结构 论文共分为五章，每章内容组织如下： 第l 章为绪论部分，首先介绍课题的研究背景，然后分别介绍了制造工艺和 设计流程，并阐述在纳米工艺下，设计和制造之间更为紧密的关系，详细地讨论 了可制造性设计的研究意义。 第2 章介绍与论文相关的基本背景知识，包括光刻系统的各个组成部分和光 刻成像建模过程，并介绍现今使用的分辨率增强技术。最后重点介绍了论文的理 论基础即纯光学模型和光刻胶模型。 第3 章对可制造性模型做了详尽的数学推导，使得模型的求解转化成不带约 束条件的非线性问题，并用最速下降法进行求解，最后给出了算法的计算步骤以 及算法的伪代码。 第4 章对算法的实验结果做了详尽的分析，对影响模型精度的参数分别作了 具体的讨论，最后提出了用可变阈值模型来代替常数阈值模型来优化算法，并且 还提出了预测区间的概念。 第5 章是最后一张，重点对论文的研究工作做了总结，并对下一步工作进行 了简单的讨论。 1 6 本章小结 集成电路制造已经进入了纳米级时代，随着特征尺寸的进一步缩小，集成电 路的版图制造正面临巨大的挑战。集成电路工艺的复杂性表明在亚波长光刻的生 产条件下，掩模版图的转移过程往往伴随着各种难以预料的误差，也就是说它存 在着各种畸变。为了应对越来越高集成度和设计复杂度，电子设计自动化应运而 q 浙江大学硕二匕学位论文 生，并且为了解决制造过程中的各种畸变，一些新的技术和方法也被集成到e d a 中。接着本章着重论述了可制造性设计，打破了以往的设计和制造截然分开的模 式，介绍了光刻友好的设计流程。在本章的最后讨论了论文主要的研究内容和论 文的组织结构。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章光刻建模及光刻分辨率增强技术 2 1 光刻成像系统 现今用于集成电路芯片制造的光刻设备都采用投影式光刻系统，是由一套精 密的器件组成，典型的光刻系统都包含四个部分，即照明( i l l u m i n a t i o n ) 系统、 掩模版( m a s k ) 、曝光( e x p o s u r e ) 系统和晶圆片( w a f e r ) 【1 4 】。如图2 1 所示， 光源透过透镜组、掩膜版和曝光系统，最后在晶圆片表面上成像。 光源 i ；暇明系统 l ” 透镜缀 掩膜版 曝光系统 品圆片 图2 1 光刻系统的四项基本组件 2 1 i 照明系统照明系统的光源部分要求具有能量高和频谱窄等特点，早期 一般采用高压水银弧灯作为光源，选用其产生的4 3 6 n m 或3 6 5 n m 的波长作为光 刻系统的光源。但在3 0 0 n m 以下，尽管开发出具有高灵敏度的化学放大光刻胶， 高压水银弧灯也不能提供足够的光强。为了能够刻印更小的线条，必然要求更高 的数值孔径( n a ，n u m e r i c a la p e r t u r e ) 系统和更短波长的光源。激光是理想的光 源，它具有能量高和纯净的频谱等特性，准分子激光能提供2 4 8 n m 和1 9 3 n m 波 ： ，一i。 。一。 。，一。，。 浙江大学硕士学位论文 长的光源。 如果点光源之间缺乏干涉效应，则会使得掩膜版上的光强分布不够均匀，同 时点光源之间的相对亮度变化也会引起掩膜版上的光强波动。一般采用科勒照明 方式来解决这个问题，如图2 1 所示，把光源放置在透镜组的焦平面上，使得从 每个点光源发出的光线在经过透镜组后变成平行光束。点光源上亮度分布的不均 匀性被平均输出，使得掩膜版上的任意一点所得到的光强都一样。 光刻过程中不仅要求曝光剂量的均匀性，而且还要求方向上的一致性，以保 证同样的图形在不同方向被重复曝光的时候所得到的结果是相同的。传统的光刻 系统中一般采用圆形的光源。光源用部分相干系数来表征，它代表光源半径。光 源越大，部分相干系数就越大，光源的相干度也就越低，反之亦然。在极限的情 况下，如果是一个无限半径的光源，则相干系数为无穷大，此时成像是完全不相 干的；如果是一个点光源，则相干系数为0 ，此时成像是完全相干的。实际的照 明系统是部分相干的，它的相干系数介于0 和无穷之间。光刻系统中光源部分相 干系数的范围一般在0 3 到0 9 之间【15 1 。 2 1 2 掩模版掩模是集成电路光刻过程中设计版图图像的载体，通过它，成 千上万的芯片被复制刻印出来。由于制作一层掩模的价格相 - 3 昂贵，因此必须要 求掩模经久耐用，不受频繁处理和重复使用的磨损。在投射式光刻系统中，会在 掩模版上加一层透明的薄膜，这层膜贴在远离掩模表面的框架上。由于透明薄膜 和框架构成了一个封闭的空间，这样微尘颗粒只能落在薄膜表面而不会落在掩模 表面。任何附在薄膜上适度范围内的微尘颗粒由于远离焦距，使得它所成像的结 果对版图成像结果的影响可以忽略不计。 尽管掩模上的图形有各种不同的尺寸和形状，但大部分都可以用下面三种类 型中的一种来近似：线( l i n e s ) 、间距( s p a c e s ) 和通孔( c o n t a c t s ) 。线和间距 都被称为一维图形，因为它们的透光率只在一个方向发生改变，而在其垂直方向 则保持不变。通孔是二维图形，它的透光率在掩模平面上的两个方向都会发生改 变，因此它的校正会更为复杂。 实际应用中的许多分辨率增强技术都- 9 掩模有关。光学邻近校正通过局部修 正掩模的形状来增强分辨率；移相掩模技术通过改变掩模的相位来增强分辨率； 次分辨率辅助图形通过在掩模上增加离散条来增强分辨率；双重图形技术通过把 浙江大学硕二l 学位论文 一个掩模拆分成两个掩模来大幅度地增加分辨率，理论上可以增加一倍；还有逆 光刻技术以及光源掩模优化技术都是通过不同的改变掩模的方式来增强分辨率。 以上部分分辨率增强技术将会在2 3 节中详细描述。 2 1 3 曝光系统曝光系统是由一组复杂的透镜组成的光学系统。光刻分辨率 是投影式光刻技术发展的核心，它决定了光刻机能够在硅片表面刻印的最小尺寸， 是光刻机最重要的性能指标，它反应了制造工艺的水平，它的值越小，表明制造 工艺水平越高。由于硅片平整度误差，光刻胶厚度不均匀、调焦误差以及视场弯 曲等因素的存在，最佳成像平面与实际成像平面之间总有一定的误差，这就是离 焦现象。而焦深( d e p t ho ff o c u s ，d o f ) 是指能够满足分辨率和c d 均匀性的 最大离焦范围，它也是光刻及重要的指标，焦深越大，表明成像系统在理想平面 上下的较大范围内有较佳的成像效果。分辨率r 的瑞利公式和离焦d o f 的公式 如下： r = k 1 2 n a ( 2 1 ) d o f = 厩名n a z ( 2 2 ) 公式中入为曝光波长，k l 和k 2 为工艺因子，n a 为光学透镜的数值孔径。由 公式可知，要想提高光学分辨率，可以减小工艺因子k l 、缩短曝光波长入以及增 加光学透镜的数值孔径。然而缩短曝光波长入以及增加光学透镜的数值孔径都会 使焦深减小，成像效果变差，因此分辨率和焦深是矛盾的。 2 2 光学分辨率增强技术 从公式2 1 可以看出，减小波长和增加数值孔径都可以提高分辨率，显而易 见，这两项的减少都需要对原有的光刻机进行更新，而一般光刻机成本都在千万 美元以上，因此如果原有的设备还可以用于下一个技术节点的制造，厂家一般都 会尽量使用原来的设备。而减小工艺因子k l 同样也能提高分辨率，并且减小k l 值的方法中大多是不需要更新设备的，所以从经济的角度出发，这种研究是非常 实用的。分辨率增强技术有很多种，典型的如光学邻近校正、移相掩模、离轴照 明、次分辨率辅助图形技术等。 2 2 1 光学邻近校正光学邻近校正( o 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 c ) 1 1 6 1 1 7 1 的基本方法是通过系统的改变掩模版上图形的形状，从而改变光刻过程中的掩模 】3 浙江大学硕士学位论文 图形上的光强分布，其本质上是一种为了调节透过掩模图形的曝光剂量的一种掩 模补偿技术，通过添加或删除一些细小的图形来补偿由于光学衍射和光刻胶工艺 非线性所引起的失真。光学邻近校正主要包括两种类型，即基于规则的o p c 和 基于模型的o p c 。 a ) o p c 之前的仿真结果 b ) o p c 之后的仿真结果 图2 2 光学邻近校正示意图 基于规则的o p c ( r u l eb a s eo p c ) 基于规则的o p c 需要预先建立一些规则库，然后根据掩模版图区域的形状 来匹配规则，再根据规则对掩模做出校正。它通常是比较简单的，所以速度上比 较快速。但在2 5 0 n m 以下的节点，由于版图图形复杂，使得建立规则库的难度 大大增强，甚至会存在冲突。 基于模型的o p c ( m o d e lb a s eo p c ) 1 4 图=州崮进 浙江大学硕士学位论文 为了提高校正的精度，在1 8 0 n m 节点以下，普遍需要使用基于模型的o p c ， 它利用光学模型对掩模图形进行光刻模拟成像，迭代优化校正目标图形形状。常 用的处理方法为对图形的边以一定的规则进行切割，使得校正过程可以在切割后 的线段上进行。基于模型的o p c 关键在于有精确的模型和收敛的算法。+ 图2 2 a 中是对未经过o p c 的原始版图的校正，图2 2 b 所示的版图是原始版 图中经过光学邻近校正以后的版图形状以及其在相同工艺条件下的仿真结果。可 以看出，经过校正后的版图减少了线端缩进。由于实施光学邻近校正改变的只是 版图形状，而对光刻工艺没有任何特殊要求，因此应用此技术只需要较少的代价， 且易于与其他的分辨率增强技术联合使用。目前光学邻近校正已成为纳米级集成 电路设计和制造中应用最广泛的分辨率增强技术，在1 8 0 n m 以下的节点，几乎 所有的设计都应用了这一技术。 2 2 2 移相掩模传统的掩模都是二值掩模( b i n a r yi n t e n s i t ym a s k s ，b i m s ) ， 有完全透光区和完全不透光区组成，只有黑白两个灰度级。移相掩模则是在掩模 的某些特定区域加上一层透光但是附加1 8 0 。相位的区域，利用了相干光的破坏 性干涉，即相位相反的相干光交叠会使得光强互相抵消，使得相干边缘的成像变 得更加清晰。常用的p s m 主要有如下两种： 专专专 掩模广t 寸1 f 电场强度二。3 拙。 光强：j 凸幽6 气 a ) 传统二值掩模b ) 交替式移相掩模 c ) 削弱式移相掩模 图2 3 二值掩模、交替式移相掩模和削弱式一项掩模的成像情况 1 交替式移相掩模( a l t e r n a t i n gp s m ，a l t p s m ) 【1 8 1 对掩模上相邻的透光部分 图形配上的1 8 0 。相移。将传统的掩模版上透光部分图形分配以不同的相 位。这种方法需要对掩模版图形进行相位的分配，对相位冲突的部分还 需要调整图形的位置，工作量较大。 浙江大学硕士学位论文 2 削弱式移相掩模( a t t e n u a t e dp s m ，a t t p s m ) 1 9 1 把传统二值掩模上作为背 景的不透光的铬层替换成能部分透光，使得背景部分能有7 8 左右 的透光率，并且与透光区域有1 8 0 。的相移。 除了以上两种常用的移相掩模技术外，还有边缘移相掩模( r i mp s m ) 和无 铬移相掩模( c h r o m e l e s sp s m ) ，由于o p c 和掩模制造过于复杂，目前还没有被 广泛应用。 2 2 3 离轴照明离轴照明技术( o f f - a x i si l l u m i n a t i o n ，o a i ) 2 0 1 的引入改变 了传统照明的方法，通过在光源和聚合透镜组之间加一个特定形状的图形作为光 刻光源的波前过滤器，使得入射光束不是垂直于掩模，而是以一定的角度偏离垂 直光轴。如图2 4 所示的是几种典型的离轴照明形状，一般可以是圆形，即传统 照明，也可以是环形，称为环形照明，以及单级照明，双级照明和四级照明。 a ) 传统照明 b ) 环形照明c ) 单极照明d ) 四极照明 图2 4 不同形状的离轴照明光源( 黑色为透光区域) 从信息光学的角度讲，高级的衍射波包含较多的掩模图形空间调制信息，因 此物镜的n a 越大，就能接受更多的高频部分的衍射波，成像质量就越高。然而 随着图形线宽以及间距的减小，衍射现象越来越剧烈，使得各级衍射波之间的张 角越来越大，就有可能出现如图2 5 a 中的情况，即使是1 级的衍射波都不能透 过光瞳，使得照射光产生的透射光经过物镜成像是只有不包含掩模图形的空间调 制信息的0 级衍射波，在这种情况下硅片表面上只能得到光强出处相等的背景光。 而在图2 5 b 中，由于入射光线和光轴成一定的角度0 ，此时+ 1 级或1 级衍射波 进入光瞳一起参与成像，使得所成空问像具有一定的分辨率。离轴照明去除了入 射光中与光轴夹角较小的成分，从而使更多的高级衍射波能参与成像，从而提高 了高频成分在总光强中的比例，进而提升了成像的分辨率。 1 6 浙江大学硕：t 学位论文 l 一l 手l | 一|一 。- “，j r _量， x 一鼋， 一 ， 掩模 透镜 光瞳 a ) 传统照明技术b ) 离轴照明技术 图2 5 传统照明和禹轴照明 2 2 4 次分辨率辅助技术上一节讲到，离轴照明可以增强密集线条的光刻分 辨率，是十分有效的分辨率增强技术。但是它会降低稀疏图形或者孤立图形的分 辨率，从而会影响这部分图形的成像效果【2 1 1 。再者，大量使用离轴照明，会对 全芯片版图上的一维图形比较容易出现纹波效应，即会使图形的边缘出现弯曲现 象。次分辨率辅助图形( s u b r e s o l u t i o na s s i s t a n tf e a t u r e ，s r a f ) 技术的应用会 在一定程度上解决上述问题。 与光学邻近校正技术类似，s r a f 技术的基本方法也是通过改变光刻过程中 的光强分布来补偿工艺的非线性和光学衍射所引起的失真。所不同的是s r a f 不 是对掩膜版上的原有图形进行局部修改，而是在原有版图附近添加一些小线宽的 辅助图形，使得稀疏图形或者孤立图形也有了密集图形的特性，从而改善了光强 的分布，提高了成像的效果。由于这些添加的图形的尺寸都低于光