（电路与系统专业论文）基于Cell的光学邻近效应校正技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 摘要 集成电路的集成度在最近的几十年一直遵守着摩尔定律，以每1 8 个月翻一 番的速度不断增加，芯片的特征尺寸也随之不断缩小，集成电路制造工艺越来越 精细，这给设计和制造等一系列领域提出了许多新的要求，也带来了许多深刻的 变化，这其中包括r e t ( 分辨率增强技术) 的广泛应用。随着集成电路的特征 尺寸逐渐下降到光刻所用的光源波长之下，由于光的衍射和光刻胶显影蚀刻等因 素带来的不可避免的影响，硅片上实际印制出来的图形与设计图形不再一致，这 使得如今的制造工艺已经离不开r e t 技术的支持，而o p c ( 光学邻近效应校正) 则是r e t 技术中的一项重要内容。 尽管o p c 技术的广泛应用使得如今的光刻技术能够印制的图形越来越精细， 然而在进入到9 0 n m 时代以后，o p c 校正的运算时间过长，灵活性不高，难以利 用版图的层次化结构等问题逐渐暴露出来，成为了制约集成电路制造技术继续发 展的一个重要瓶颈。 本文提出了一种新的基于c e l l 的光学邻近效应校正方法，其流程包括预校正 单元库的准备，掩模图形偏移量的初始化和利用动态调整算法进行快速运算等步 骤，这种新的方法较好的解决了o p c 过程中图形间的相互影响问题，并提出了 一种新的方法( s e g m e n t m o v i n gm a p ) 来直观的分析这种影响波及的范围和形状， 从而充分的利用版图的层次化结构，使在深亚微米条件下由于计算量太大而被认 为成本很高的高精度掩模版制备过程在新算法的帮助之下得以大大降低运算复 杂度，减少o p c 校正所消耗的时间，同时，这种方法为集成电路设计过程提供 了含预校正结果的单元库，使得设计工程师能够更加灵活有效的对设计进行检 查，并能够花费更少的代价的对已完成的设计进行修改。 本文中采用计算总的e p e ( e d g ep l a c e m e n te r r o r ) 来分析结果误差，实验结 果表明，这种方法将o p c 的速度提高了5 倍左右，并且保持了与传统o p c 相同 的精度。 关键词：r e t ，o p c ，h i e r a r c h y ，c e l l ，i n t e r a c t i o n ，e p e 2 浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 a b s t r a c t t h ep r o g r e s so fi ci n t e g r a t i o nh a sk e p tt h em o o r e sl a wf o rt h er e c e n ts e v e r a l d e c a d e s t h i sh a sb r o u g h tt r e m e n d o u sc h a n g ea n dm a n yn e wr e q u i r e m e n t si ni c d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g o n eo fs u c hc h a n g e si st h ep r e v a i l i n gu s eo fr e t s ( r e s o l u t i o ne n h a n c e m e n tt e c h n i q u e s ) a st h ef e a t u r es i z ed e c r e a s e sb e l o wt h e w a v e l e n g t ho ft h ei l l u m i n a t i o ns y s t e m ，t h ed i f f r a c t i o na n do t h e re f f e c t sa r i s i n gf r o m r e s i s td e v e l o p i n ga n de t c h i n gc a u s e sm o r ea n dm o r ed i s t o r t i o ni nt h ep a u e mt r a n s f e r p r o c e s s t o d a y , n e wc h i p sw i t hv e r ys m a l lf e a t u r es i z ec a nn o tb em a n u f a c t u r e d w i t h o u tt h es u p p o r to fr e t s , o p c ( o p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ) i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si ns u c hr e t s a l t h o u g ho p c h a sg r e a t l ye x t e n d e dt h ea b i l i t y o f p h o t o l i t h o g r a p h y , a f t e rg e h i n gi n t ot h e9 0 n mt e c h n o l o g yn o d e ，m o r ea n dm o r en e w p r o b l e m sb e c o m em o r eo b v i o u s , l i k et h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y , t h el o wf l e x i b i l i t y a n dt h ed i f f i c u l t yi nu t i l i z i n gt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei ng d s i i t h e s ei s s u e sh a v e r e s t r i c t e dt h ei cm a n u f a c t u r i n ga b i l i t y w ep r o p o s e di nt h i sp a p e ran e wc e l l b a s e do p c m e t h o d , i n c l u d i n g t h ep r e p a r a t i o no f t h ep r e - o p c e dc e l ll i b r a r y , t h eo f f s e ti n i t i a l i z a t i o na n dt h ef a s td y n a m i ca d j u s t m e n t a l g o r i t h m t h i sn e wm e t h o ds o l v e dt h ei s s u eo fi n t e r a c t i o n sb e t w e e nn e i g h b o r i n g p a t t e m sa n dp r o p o s e dt h es e g m e n t - m o v i n gm a ps o l u t i o nt oo b s e r v ea n da n a l y z et h e r a n g ea n ds h a p eo ft h ei n t e r a c t i n gr e g i o n , h e n c ef u l l ye x p l o r e dt h eh i e r a r c m c a l s t r u c t u r ei nt h eo p c p r o c e s st or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o s ta n dt i m e - t o - m a r k e t o n t h eo t h e rh a n d , t h i sm e t h o dp r o v i d e st h ep r e - c o r r e c t e dc e l ll i b r a r yf o r t h ed e s i g ns t a g e ， w h i c h 啪h e l pt oi n c r e a s et h ef l e x i b i l i t yo fd e s i g na n dm o d i f i c a t i o n t h ee p e ( e d g ep l a c e m e n te r r o r ) i su s e di no u re x p e r i m e n t st oa n a l y z et h ee r r o ro f o u rc e l l b a s e do p cm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o da c h i e v e d5 xs p e e d u p w h i l em a i n t a i n i n gt h es a m ea c c u r a c yc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lo p c k e y w o r d ：r e t ，o p c , h i e r a r c h y , c e l l ，i n t e r a c t i o n ，e p e 3 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 第一章集成电路e d a 技术 1 1 集成电路产业与e d a 技术 1 1 1 前言 人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品 的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势， 而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要因素是集成电路产业 生产制造技术的提高和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前 已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。后者 的核心就是e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术。e d a 是指以计算机为工 作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子 c a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作： i c 设计，电子电路设计，p c b 设计。没有e d a 技术的支持，想要完成上述超大规 模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将 对e d a 技术提出新的要求。 1 1 2e d a 技术的发展 回顾近3 0 年电子设计技术的发展历程，可将e d a 技术分为三个阶段。 七十年代为c a d 阶段，人们开始用计算机辅助进行i c 版图编辑、p c b 布 局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。 八十年代为c a e ( c o m p u t e r - a i d e d e n g i n e e r i n g ) 阶段，与c a d 相比，除了 纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接 网络表将两者结合在一起，实现了工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。 c a e 的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，p c b 后分析。 九十年代为e s d a 阶段，尽管c a d c a e 技术取得了巨大的成功，但并没有 把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程 度还不高，各种e d a 软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接 6 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求：贯彻整个设计过程的 自动化，这就是e s d a 即电子系统设计自动化。 1 1 3e s d a 技术的基本特征 e s d a ( e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n a u t o m a t i o n ) 代表了当今电子设计技术的最 新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照”自顶向下”的设计方法，对整个系 统进行方案设计和功能划分，系统的关键部分用一片或几片专用集成电路( a s l c ) 实现，然后采用硬件描述语言( h d l ) 完成系统行为级设计，最后通过综合器和适 配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面 介绍与e d a 技术相关的几个概念： 1 ) “自顶向下”的设计方法 1 0 年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路”自底向上”( b o t t o m - u p ) 的构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效率 低、成本高而且容易出错。 高层次设计给我们提供了一种咱顶向下”( t o p d o w n ) 的全新设计方法，这种 设计方法首先在项层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿 真、纠错，并用v e r i i o gh d l 或v h d l 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行 描述，在系统一级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对 应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试 过程是在高层次上完成的，这一方面有利于早期发现结构设计上的错误，避免设 计工作的浪费，同时也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 a s i c 设计 现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个中小规模集成 电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效 途径就是采用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 芯片进行设计，即专 用集成电路芯片。a s i c 按照设计方法的不同可分为：全定制a s i c ，半定制a s i c ， 可编程a s i c ( 也称为可编程逻辑器件1 。 7 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 设计全定制a s i c 芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工 艺规则，最后将设计结果交由i c 厂家掩模制造完成。优点是：芯片可以获得最 优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高， 只适合大批量产品开发。 半定制a s i c 芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标准单元 设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，提高设 计效率，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。 可编程逻辑芯片与上述掩模a s i c 的不同之处在于：设计人员完成版图设计 后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片，无须i c 厂家的参与，大大缩短了开发 周期。 可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了p a l , g a l 、c p l d 、f p g a 几个 发展阶段，其中c i l d f p g a 属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达2 0 0 万门，片，它将掩模a s i c 集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点 结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上 市，但是在性能和面积上则不如掩模a s i c 那么理想。然而当市场扩大时，它可 以很容易的转由掩模a s i c 实现，因此开发风险也大为降低。 上述a s l c 芯片，尤其是c p l d f p g a 器件，已成为现代高层次电子设计方 法的实现载体。 3 ) 硬件描述语言 硬件描述语言( h d l - i - i a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种用于设计硬件电 子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结 构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如 一个3 2 位的加法器，利用图形输入软件需要输入5 0 0 至1 0 0 0 个门，而利用v h d l 语言只需要书写一行a = b + c 即可，在设计效率上要提高很多，而且v h d l 语言 可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如a b e l - h d l 、a h d l ， 由不同的e d a 厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作 要由人工完成。为了克服以上不足，1 9 8 5 年美国国防部正式推出了v h d l ( v e r y h i g hs p e e di ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言，1 9 8 7 年i e e e 采纳v h d l 为 8 浙江大学硕士学位论文基于q u 的光学邻近效应校正技术研究 硬件描述语言标准0 e e es t d 1 0 7 6 ) 。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，它在功能上包括系统行为级、寄存器 传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合 描述，因此v h d l 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或 自底向上的电路设计过程都可以用v h d l 来完成。不仅如此，v h d l 还具有以 下优点： ( 1 ) v h d l 的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工 作重心提高到了系统功能的实现与调试，而化较少的精力于物理实现，提高了设 计效率。 ( 2 ) v n d l 可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且 方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。 ( 3 ) v h d l 的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。 ( 4 ) v h d l 是一个标准语言，为众多的e d a 厂商支持，因此移植性好，通用 性强。 4 ) 系统框架结构 e d a 系统框架结构( f r a m e w o r k ) 是一套配置和使用e d a 软件包的规范，目 前主要的e d a 系统都建立了框架结构，如c a d e n c e 公司的d e s i g nf r a m e w o r k ， m e n t o r 公司的f a l c o nf r a m e w o r k ，而且这些框架结构都遵守国际c f i 组织( c a d f r a m e w o r ki n i t i a t i v e ) 铝t j 定的统一技术标准。f r a m e w o r k 能将来自不同e d a 厂商 的工具软件进行优化组合，集成在个统一的环境之下，更加利于管理和数据共 享，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中信息的传输与共 享，是并行工程和t o p d o w n 设计方法的实现基础。 1 1 4e d a 技术的基本设计方法 e d a 技术的每一次进步，都引起了设计层次上的一个飞跃 物理级设计主要指i c 版图设计，般由半导体厂家完成，对电子工程师没 有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计 9 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 1 ) 电路级设计 电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，同时要选择能实现该 方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿 真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析，模拟电路的交直流分析、瞬态分析。 系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形 代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功 能方面的正确性，因此通常被称为“功能仿真”。 仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行p c b 板的自动布局布 线。在制作p c b 板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电 磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行 第二次仿真，也称为“后仿真”，这一次仿真主要是检验p c b 板在实际工作环境 中的可行性，以及当环境发生变化时系统的可靠性。 由此可见，电路级的e d a 技术使电子工程师在实际的电子系统产生前，就 可以全面的了解系统的功能特性核物理特性，从而将开发风险消灭在设计阶段， 缩短了开发时间，降低了开发成本。 2 ) 系统级设计 进入9 0 年代以来，电子信息类产品的开发明显出现两个特点：一是产品的 复杂程度加深；二是产品的上市时限紧迫，然而电路级设计本质上是基于门级描 述的单层次设计，设计的所有工作( 包括设计输入，仿真和分析，设计修改等) 都 是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，为了 进一步提升设计效率，引入了一种高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计 方法。 高层次设计是一种”概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电 路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可 以把精力集中于创造性的方案与概念构思上，一旦这些概念构思以高层次描述的 形式输入计算机后，e d a 系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计，大大 提高了设计自动化的程度。这样，新的概念得以迅速有效的成为产品，从而进一 步缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可 l o 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 以不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描 述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。 高层次设计步骤如下： 第一步： 按照”自顶向下”的设计方法进行系统划分和功能描述。 第二步： 输入v h d l 代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以 采用图形输入方式( 框图，状态图等) ，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。 第三步： 将以上的设计输入编译成标准的v h d l 文件。对于大型设计，还要进行代码 级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、 适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和 时间，提高设计一次性成功率。 第四步： 利用综合器对v h d l 源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件， 这是将高层次描述转化硬件电路的关键步骤。综合优化是针对a s i c 芯片供应商 的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完 成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具 体器件的硬件特性，是较为粗略的，这一步骤，是为了从大体上验证电路时序的 正确性。 第五步： 利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操 作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配完成后，产生多 项设计结果：适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情 况等：适配后的仿真模型；器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进 行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性( 如时延特性) ，所以仿 真结果能比较精确的预期未来芯片的实际性能，因此这一步仿真是比较重要的， 如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改v h d l 源代码或选择不同速度品质 的器件，重复上述过程，直至满足设计要求。 。 1 1 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 第六步： 将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片 f p g a 或c p l d 中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以 很容易转由a s i c 形式实现。 1 1 5 我国e d a 技术现状 e d a 技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都 有新的技术诞生和新的e d a 工具问世，然而，我国e d a 技术的应用水平长期落 后于发达国家。因此，广大电子工程人员要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提 高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。 1 2 d f m 和r e t 技术介绍 1 2 1 可制造性设计技术( d f m ) 总体来说，集成电路( i c ) 设计包括功能设计、逻辑设计、物理设计( 也称 为版图设计或布图设计) 、设计验证和制造等过程。随着e d a 技术的发展，i c 设计 师尤其是数字设计师逐渐脱离工艺，而工艺底层加工和发展则由代工厂及其配套 产业实现，这种趋势极大的提高了设计的效率并且改进了系统的稳定性，同时， 也带来了一些新的问题，它使得版图设计( 或称为物理设计，p h y s i c a ld e s i g n ) 成为集成电路设计过程中至关重要的一环，因为电路版图是集成电路设计者和集 成电路生产厂家二者唯一的联系方式。一般来说集成电路行业的分工是：设计者 完成从系统规范说明到用自动化的设计工具做出电路版图，而生产厂家完成余下 的集成电路制造过程。 生产厂家只是按照设计者的电路版图来制造电路，他们的目标是制造出来的 电路版图完全符合设计者提供的电路版图。而设计团队通常将主要精力集中在芯 片的设计输出上，即利用一个已经过仿真和验证的数据库来满足某一设计特定的 时序和功耗指标。传统上，完成芯片设计输出工作一直是设计团队开发i c 产品 的努力终点。 进入九十年代以后，世界市场发生了根本的变化，新产品的开发周期和产品 浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 的上市时间成为竞争的主要因素，谁能尽快的抢占市场，谁就是赢家。为此，企 业必须掌握并很好地利用先进的产品开发设计技术，尽可能缩短新产品的开发周 期和产品的上市时间，才能使自己在激烈的竞争中得以生存和发展。对于1 3 0 h m 及其以下工艺来说，将主要的精力集中在芯片的设计输出上是不够的，现在一个 特定设计特性可能会影响芯片的可制造性和良率，因此在芯片上市前，它首先必 须能以可接受的良率进行制造。传统的设计输出时间再加上这个成品率时间才是 真正的产品上市时间。 因而对设计者，尤其是采用先进工艺的设计团队来说，则应打破原先不关心 具体生产过程的传统模式，采用新的设计观念，在设计中引入可制造性设计 ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ，d 雕) 的环节，在设计的初期就把制造因素考虑进 去，把c a e c a d c a p p c a m 的集成化和可制造性分析结合起来，在保证功能和 性能的前提下，以高的可制造性和生产良率为设计目标。这样做的主要目的和好 处在于：提高新产品开发全过程( 包括设计、工艺、制造、销售服务等) 中的质 量，降低新产品全生命周期中的成本( 包括产品设计、工艺、制造、发送、支持、 客户使用乃至产品报废等成本) ，缩短产品研制开发周期( 包括减少设计反复， 降低设计、生产准备、制造及投放市场的时间) ，并进一步提高设计效率。 在实际应用中，d f m 是一个十分宽泛的概念。包括成品率优化单元的生成、 版图压缩、晶圆优化等等设计、工艺中有可能涉及的各种问题。其中d r c 、基于 良率的布局、r e t 、成品率预报等等都是进行d f m 所必不可少的步骤。 1 2 2 分辨率增强技术( 1 啦t ) 传统上，在一个设计被转化为物理版图，并经过时序验证和d r c ( 设计规则 检查) 之后，该设计就已经做好了制造的所有准备工作，代表一个芯片的更层次 的数据文件被送到掩模制造商处，造好的掩模又被送到生产线上，用以进行芯片 的批量生产。 在过去，版图的生成是整个e d a 流程的最后一步，然而，随着摩尔定律的 驱动，集成电路特征尺寸不断缩小，之前可以忽略的物理效应如今对硅片上图形 所产生的影响已经大到不可忽略的程度，因此，虽然生成的版图代表着设计的最 终目标图形，但在掩模制造出来之前仍需要经过一些步骤对掩模上的图形进行修 浙江大学硕士学位论文基于c c u 的光学邻近效应校正技术研究 正。 上文中所提到的掩模修正的目的，是为了对已知的各种芯片制造过程中所产 生的畸变效应进行预补偿，以增强硅片上的图形分辨率，可能产生畸变效应的生 产工艺包括：光刻，蚀刻，打磨，沉积，等等。幸运的是，一旦这些畸变效应被 人们所了解和量化之后，即可应用算法对其产生的影响进行补偿。整个光刻系统 示意图如下所示： i i l u m i n a t i o n 一呶 么皇 图1 1 光刻系统示意图 光刻工艺所能生成的最小图形尺寸由下式决定： 砌砌姗砌觚= 也去 n s a f e r n a 表示光学系统的数值孔径，九表示光源的波长，k l 是与光刻工艺相关的 一个参数，由此可见改善图形分辨率的途径有三条，一方面可以从光源入手，采 用更理想的光源，减小波长，但由于对用于集成电路光刻领域的光源还有着其他 各种苛刻的要求，目前光源波长降低的速度很难跟的上摩尔定律的要求；另一方 面可以从改善光学系统入手，进一步提高工艺水平，采用更加理想的透镜，并增 大数值孔径，但由于技术水平的限制，目前在这一条路上继续提高的余地也很小 1 4 浙江大学硕士学位论文 基于c c u 的光学邻近效应校正技术研究 了。最后一个增强分辨率的方法就是今年来在研究领域很活跃的r e t 技术，采 用合适的r e t 技术可以进一步减小k l 的大小，从而达到减小特征尺寸的目的。 电磁波有着四个各自独立的属性：幅值，相位，传播方向和极性。目前的 p e t 技术主要利用了光波前三方面的特性，极性仍然是研究领域的一个活跃问 题。对幅值的研究诞生了o p c 技术和s a j ( 亚分辨率辅助图形插入) 技术，对 相位的利用产生了p s m ( 移向掩模) 技术，对传播方向的研究诞生了0 a j ( 离 轴照明) 技术【n 。 a m d i d i r e c t i o n p h a s e 图1 2p e t 技术对光波三个属性的利用 如今，随着芯片集成度的进一步提高，对光刻生产工艺所能达到的图形最小 特征尺寸提出了更加苛刻的要求，单独的任何一个分辨率增强技术已经很难达到 当今集成电路生产的要求，将几种不同的方法联合起来运用往往能达到更好的效 果，这种策略在目前的芯片制造业中被广泛使用。本课题主要研究基于c 枷的 光学邻近效应校正方法，因此，对其他l u b t 技术不再展开讨论，下一章主要介 绍o p c 的相关概念。 气 浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 第二章光刻工艺与o p c 技术 2 1 前言 光刻技术是超大规模集成电路制造领域的一项关键技术，它的广泛应用可以 归功于由于它能够依靠光学投影技术轻易的将版图上的图形转移到硅圆片上，以 及其他一些方面的优势，例如高产出率和高良品率。在过去的1 5 年间，光刻技 术的发展使得芯片的最小尺寸由m m 下降到了1 3 0 n m ，人们为芯片特征尺寸的 不断缩小付出了大量的努力，而这之后的驱动力是对更快和更小芯片的需求。如 果光刻技术的进步能被继续延续，器件尺寸则可以被缩小到6 5 n m 以下。 然而在达到这些更小的尺寸之前，我们先碰到了光刻和图形转移的瓶颈问 题。在比较小的尺度下，光刻时图像质量的降低使得设计图形到硅片上图形的转 移失真度增加。然而，设备的成本，已经建立的生产技术，和愈趋紧迫的生产时 限等因素使得光刻技术在未来的一段时间内仍然具有较大的应用需求。由于经济 和技术等方面的考虑，目前可以预见的是，光刻技术会在2 1 世纪初期继续承担 起图形转移的关键任务。 为了进一步提高光刻技术的活力和适用性，集成电路制造商们一直在寻找着 增强图形分辨率的方法。传统上，提高分辨率和降低特征尺寸的方法是采用更小 的光源波长和更好的光学透镜。然而技术发展的趋势标明光源波长的降低远远跟 不上特征尺寸的减小。 另一个替代减小光源波长和改进光学系统的办法是在掩模上考虑补偿图形 转移的失真一一掩模工程。种对掩模图形进行系统性的修改以补偿图形转移的 失真的办法通常被称作光学邻近效应校正( o p c ) 。 2 2o p c 的工作原理 o p c 这种高级掩模修正技术是被用来改善版图到硅片的图形转移失真问题 的。它的目标是对掩模进行修正以改善其光学特性，而这又是通过对成像过程和 后续的各种工艺上已知的效应进行补偿而实现的。具体来讲就是已知我们想要得 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 到的硅片上图形，要找到一个掩模设计使得经过了整个光刻工艺后最终得到的硅 片上图形要尽可能的接近设计图形。 在概念上，从一个系统的角度来看，o p c 可以被认为是“反向问题”，如下 图中所示，o p c 过程对版图的校正可以看作是一种“预补偿”，这种预补偿使得 硅片上图形与设计图形相匹配。 口器r - - - 工门i | 口口口lll l 二 1 2 1 勤 口口ll e = 丁= 1 w a f e r 图2 1 0 p c 原理示意图 在光刻系统中，由霍普金斯方程描述其部分相关性的成像系统是一个非线性 系统，因此一个能把掩模和硅圆片联系起来的简单的函数关系是不存在的，概念 上的反向问题的解也是不存在的，这是因为要实现完美的三维硅片结构，包括垂 直的边和锐利的棱角是物理上不可能的，这也很容易由带宽限制的光学系统的特 性所解释。就算这样的反向问题的解存在，它的数学描述也超出了目前光刻领域 的物理学知识之外，考虑到这一点，我们假设无法找到一个唯一的、精确的o p c 掩模结果。 然而，我们当然可以选择一个优化的掩模来改善图形转移的效果。实际上， i c 工业界正是靠着对版图图形手动添加小的修正来优化掩模图形的。如果我们 仿真可以用来帮助对掩模添加这些修正，那么一个自然而然的o p c 解决方案就 是将非常一个快速而又准确的光刻仿真工具放入一个反馈系统中，这个系统通过 移动掩模图形的每一条边来改善硅片上的仿真结果。因此，o p c 就变成了一个 非线性的反馈控制系统，如下图中所示： 1 7 浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 d e s i r e d 坐g - 酾。1 币 c = = 三三j l i 二m a s k 。1 二l 一一点三一l 乞乏上糖，i i ：l一_ 。r l m a s kp e r t u r l o e t l o n s 2 3 0 p c 技术的优势 图2 2o p c 反馈控制系统示意图 o p c 的好处包括提高c d 的精确度和提高图形位置的精确度，另外o p c 还 带来了调节工艺窗口的能力，使得各种工艺窗口的重叠部分得以增加，这使得在 较低的k 1 值下实现更加可靠的图形转移。o p c 为i c 工业带来的切实好处包括： 由于改善了工艺窗口，在给定的最小特征尺寸下能得到更高的产率； 由于线宽的一致性使得时钟速率得以提高，在给定的最小特征尺寸下能 得到更好的电路性能； 能够采用更小的设计规则 2 4 光刻模型 i c 制造工艺的每一个步骤都会导致从原始版图到硅片上的图形转移时产生 误差，因此，一个电路的特定实现总是无法与原先的设计完全一致，一些最重要 的工艺误差因素可以列举如下： 掩模制备 光学衍射 光刻胶显影 浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 光刻胶蚀刻 当这些误差中的系统性因素能够被描述时，o p c 就有可能对它们进行修正并 且改善设计到硅片的图形转移失真度。下面一部分将简单的介绍一些o p c 能够 帮助修正的工艺问题。 2 4 1 掩模制备 正如光刻过程会导致从掩模到硅片上的图形转移产生误差一样，掩模的制造 过程也会在物理掩模版上产生误差，这使得它与理想的掩模有些不同，这可以清 楚的从下面经过o p c 之后掩模图中看出，一些o p c 设计图中小的衬线和突起并 不能理想的转移到物理版图上。 图2 3o p c 掩模实际效果图 2 4 2 光学系统 光刻所使用的透镜系统是我们在工艺了解最为透彻的部分之一，假设光学衍 射是在这个光刻工艺中限制最小尺寸的因素，那么如下的光学尺度缩减定律则控 制着最后印制出来的图形。最小光学可分辨的线宽：l 栅，和聚焦深度( d o f ) ： z d o f ，由下面两式给出： 1 9 浙江大学硕士学位论文基于c c u 的光学邻近效应校正技术研究 = 幻志 撕= 志 式中九是波长，n a 是光学系统的数值孔径，k 1 ( 1 ，它是一个表明光学系统 工艺技术进步的因子，k 2 是一个尺度控制因子。在现在0 2 5 o 5 p r o 范围内的i 艺尺度下，通常的工艺因子是在k l = 0 7 到k t = o 5 之间。掩模光学邻近效应校 正的目标是改善在硅表面得到的掩模图像，使得在一定程度上补偿由于光学衍射 带来的图像质量损失，并有效的将k ，减小到0 4 以下的范围，这将使d u v 光刻 下降到0 2 f m 以下的领域。 2 4 3 光刻胶显影 光刻胶显影是一个已经了解比较深入的工艺过程，光刻胶的工作特性有点类 似一个阈值，当光照能量超过这个阅值时将导致光刻胶活化，当能量低于这个值 的时候光刻胶的状态保持不变。实际上一个简单的光刻胶模型是对归一化后的空 间像使用o 3 阈值模型，如图2 4 中所示，图2 5 显示的是一个空间像的0 3 阈值 轮廓图。 s y m m l m m t m , = l t 墟矗 竺徽 一戮器脚 r t m s t m o d e l ：d 吲k d 细加r e j o w 础s ，蛐： 图2 4 光刻胶模型示意图 n 嗬峙 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 图2 5 利用0 3 闺值模型计算的硅片上图形轮廓 2 4 4 蚀刻 蚀刻是在光刻工艺中导致图形转移误差的一道重要工序，由于硅片上不同区 域的蚀刻剂浓度不同所导致的装填效应有可大可小的影响范围。尽管对蚀刻效应 的修正不被认为是o p c 的一个主要目标，与光学效应和光刻胶效应相对比，蚀 刻也应该被考虑在o p c 算法之中。对蚀刻的一个简单的观点是蚀刻工艺是完善 的，它仅仅对硅片上图形引起一个很小的偏差。 2 5 掩模设计因素和限制 在掩模设计问题上有很多相关的重要问题，它们都是为了保证一个强健的和 技术上可行的解决方案，一些最重要的问题总结在下面： 2 5 i 精确度，c d 在通过光刻将图形转移到硅片上的过程中，c d ( c r i t i c a ld i m e n s i o n ) 的精度 是一个基本的考虑因素，实现了精确的c d 就意味着最终硅片上图形的尺寸与想 要的尺寸是匹配的。1 0 的c d 误差范围一般被认为是可以接受的，通常人们还 使用其他一些精确度衡量方式： c d 一致度 c d 一致度是应用到长线段上的线宽评价法则，这个术语指的当与邻近的线 条间距发生变化的时候，我们所观察到的印制线宽相对于目标线宽的变化程度。 图形密度偏差就是c d 一致度问题的一个例子。 c d 线性度 线性度指的对于在某一范围之内的不同目标线宽，我们所得到的印制线宽的 精度。 线端缩短 在较小的尺度下。我们通常能够在线端处看到一个较大的缩进，这在对不同 层面上图形间重叠有要求的情况下是一个非常重要的问题。 浙江大学硕士学位论文基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 边角圆化 由于光学系统的带宽限制效应，硅片上印制出来的图形边角会变圆，不同层 面上的图形重叠问题也同样要求将边角圆化问题减少到最小。 2 5 2 曝光和离焦 尽管在掩模上的图案也许能够在焦平面上得到较好的c d 精度，当离开焦平 面一定距离处，c d 精度就远没有那么理想了，这是一个很重要的考虑因素，因 为在现实中光刻胶薄膜是有一定的厚度和拓扑结构的，在大规模生产环境下不同 晶圆之间的偏差使得对曝光和离焦容忍度的要求凸显出来，因此，为了能够顺利 的制造芯片，掩模上的图像必须在可能的离焦范围内有着较好的特性。目前提出 了很多新技术以改善可能的聚焦深度，它们包括空间过滤技术【2 】，多层掩模技术 1 3 l ，辅助图形技术和移相掩模技术【4 胴。图形能够保持在允许的c d 误差之内的 离焦范围被称作离焦窗口或离焦尺度。 此处的术语工艺窗口是指离焦和曝光等工艺中可以允许的变动范围，他们是 设计掩模时的一个很重要的考虑因素。 浙江大学硕士学位论文 基于c e l l 的光学邻近效应校正技术研究 第三章问题的提出与基本想法 3 1 研究背景介绍 当集成电路的最小特征尺寸和间距减小到光刻所用光源的波长以下时，由于 光的衍射和光刻胶显影蚀刻等因素带来的不可避免的影响，掩模( m a s k ) 图形 和在硅圆片上印刷出来的图形之间将不再一致，i c 版图图形转移的失真将显著 增大，严重影响到集成电路的生产成品率，这种现象被称之为“光学邻近效应 ( 0 p e o p t i c a lp r o x i m i t ye f f e c t s ) ”。通常，硅片上实际印刷出来的图形产生的畸 变现象包括：边角圆化或者畸变，线长缩短，疏密线条线宽偏差，透明掩模和不 透明掩模的线宽差别。这些畸变可引起实际曝光图样相对原版图设计图样产生多 达2 0 的偏差，这大大超出工业光刻1 0 的偏差容许极限，目前世界范围内最 先进的光刻技术都属于这一类“亚波长光刻”。为了解决超深亚微米时代集成电 路设计制造中的种种困难，使光刻的结果最好的符合版图设计的目标，分辨率增 强技术( r e t , r e s 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 y ) 应运而生，这种技术主要采 用“光学邻近效应校正( o p c ，o p t i c a lp r o x i m i t yc o r r e c t i o n ) ”，“移相掩模( p s m , p h a s es h i f tm a s k ) ”和“离轴照明(