计算光刻与版图优化

光刻是集成电路制造的核心技术，光刻工艺成本已经超出集成电路制造总成本的三分之一。在集成电路制造的诸多工艺单元中，只有光刻工艺可以在硅片上产生图形，从而完成器件和电路三维结构的制造。计算光刻被公认为是一种可以进一步提高光刻成像质量和工艺窗口的有效手段。基于光刻成像模型，计算光刻不仅可以对光源的照明方式做优化，对掩模上图形的形状和尺寸做修正，还可以从工艺难度的角度对设计版图提出修改意见，*终保证光刻工艺有足够的分辨率和工艺窗口。本书共7章，首先对集成电路设计与制造的流程做简要介绍，接着介绍集成电路物理设计（版图设计）的全流程，然后介绍光刻模型、分辨率增强技术、刻蚀效应修正、可制造性设计，*后介绍设计与工艺协同优化。 本书内容紧扣先进技术节点集成电路制造的实际情况，涵盖计算光刻与版图优化的发展状态和未来趋势，系统介绍了计算光刻与刻蚀的理论，论述了版图设计与制造工艺的关系，以及版图设计对制造良率的影响，讲述和讨论了版图设计与制造工艺协同优化的概念和方法论，并结合具体实施案例介绍了业界的具体做法。本书不仅适合集成电路设计与制造领域的从业者阅读，而且适合高等院校微电子相关专业的本科生、研究生阅读和参考。

韦亚一博士，中国科学院微电子研究所研究员，中国科学院大学微电子学院教授，博士生导师。1998年毕业于德国Stuttgart大学/Max-Planck固体研究所，师从诺贝尔物理学奖获得者克劳斯·冯·克利津（Klaus von Klitzing），获博士学位。韦亚一博士长期从事半导体光刻设备、材料、软件和制程研发，取得了多项核心技术，发表了超过90篇的专业文献。韦亚一博士在中国科学院微电子研究所创立了计算光刻研发中心，从事20nm以下技术节点的计算光刻技术研究，其研究成果被广泛应用于国内FinFET和3D NAND的量产工艺中。 粟雅娟博士，中国科学院微电子研究所研究员，硕士生导师。2005年毕业于清华大学，获博士学位。粟雅娟博士主要从事设计工艺协同优化、计算光刻等领域的研究。发表SCI/EI学术论文30余篇，申请专利10余项。其研究成果被应用于国内设计和制造企业的设计工艺协同优化中。 董立松博士，中国科学院微电子研究所副研究员，硕士生导师。2014年毕业于北京理工大学，获博士学位。董立松博士主要从事光刻成像理论、分辨率增强、SMO、OPC等技术的研究工作。发表SCI/EI学术论文30余篇，申请专利10余项。 张利斌博士，中国科学院微电子研究所副研究员，硕士生导师。2014年毕业于中国科学院大学(中国科学院半导体研究所)，获工学博士学位。主要从事光刻工艺和测量的表征和建模等研究工作。共发表学术论文40余篇，申请专利10余项。 陈睿博士，中国科学院微电子研究所副研究员，硕士生导师。 2015年毕业于美国纽约州立大学布法罗分校，获博士学位。陈睿博士主要从事先进技术节点光刻工艺、刻蚀与沉积工艺仿真等领域的研究。发表SCI/EI学术论文30余篇，申请专利20余项。研究成果被应用于国内外先进制造企业的工艺研发和生产中。 赵利俊博士，2018年毕业于中国科学院微电子研究所获工学博士学位，同年加入长江存储。博士及工作期间主要从事SMO、OPC及数字电路物理设计等工作。发表学术论文8篇，申请专利5项。

目 录

第1章 概述 1

1.1 集成电路的设计流程和设计工具 3

1.1.1 集成电路的设计流程 3

1.1.2 设计工具（EDA tools） 5

1.1.3 设计方法介绍 7

1.2 集成电路制造流程 9

1.3 可制造性检查与设计制造协同优化 19

1.3.1 可制造性检查（DFM） 20

1.3.2 设计与制造技术协同优化（DTCO） 20

本章参考文献 21

第2章 集成电路物理设计 22

2.1 设计导入 23

2.1.1 工艺设计套件的组成 23

2.1.2 标准单元 24

2.1.3 设计导入流程 25

2.1.4 标准单元类型选取及IP列表 26

2.2 布图与电源规划 26

2.2.1 芯片面积规划 26

2.2.2 电源网络设计 27

2.2.3 SRAM、IP、端口分布 28

2.2.4 低功耗设计与通用功耗格式导入 28

2.3 布局 30

2.3.1 模块约束类型 30

2.3.2 拥塞 31

2.3.3 图形密度 32

2.3.4 库交换格式优化 32

2.3.5 锁存器的位置分布 33

2.3.6 有用时钟偏差的使用 33

2.4 时钟树综合 35

2.4.1 CTS Specification介绍 35

2.4.2 时钟树级数 35

2.4.3 时钟树单元选取及分布控制 36

2.4.4 时钟树的生成及优化 36

2.5 布线 36

2.5.1 非常规的设计规则 36

2.5.2 屏蔽 37

2.5.3 天线效应 37

2.6 签核 39

2.6.1 静态时序分析 39

2.6.2 功耗 44

2.6.3 物理验证 45

本章参考文献 47

第3章 光刻模型 48

3.1 基本的光学成像理论 48

3.1.1 经典衍射理论 48

3.1.2 阿贝成像理论 53

3.2 光刻光学成像理论 54

3.2.1 光刻系统的光学特征 54

3.2.2 光刻成像理论 67

3.3 光刻胶模型 74

3.3.1 光刻胶阈值模型 74

3.3.2 光刻胶物理模型 75

3.4 光刻光学成像的评价指标 77

3.4.1 关键尺寸及其均匀性 77

3.4.2 对比度和图像对数斜率 78

3.4.3 掩模误差增强因子 79

3.4.4 焦深与工艺窗口 80

3.4.5 工艺变化带（PV-band） 82

本章参考文献 82

第4章 分辨率增强技术 84

4.1 传统分辨率增强技术 86

4.1.1 离轴照明 86

4.1.2 相移掩模 89

4.2 多重图形技术 92

4.2.1 双重及多重光刻技术 93

4.2.2 自对准双重及多重图形成像技术 99

4.2.3 裁剪技术 104

4.3 光学邻近效应修正技术 107

4.3.1 RB-OPC和MB-OPC 108

4.3.2 亚分辨辅助图形添加 109

4.3.3 逆向光刻技术 110

4.3.4 OPC技术的产业化应用 113

4.4 光源?掩模联合优化技术 117

4.4.1 SMO技术的发展历史与基本原理 117

4.4.2 SMO技术的产业化应用 119

本章参考文献 123

第5章 刻蚀效应修正 125

5.1 刻蚀效应修正流程 126

5.2 基于规则的刻蚀效应修正 128

5.2.1 基于规则的刻蚀效应修正的方法 128

5.2.2 基于规则的刻蚀效应修正的局限性 129

5.3 基于模型的刻蚀效应修正 132

5.3.1 刻蚀工艺建模 132

5.3.2 基于模型的刻蚀效应修正概述 134

5.3.3 刻蚀模型的局限性 135

5.4 EPC修正策略 136

5.5 非传统的刻蚀效应修正流程 139

5.5.1 新的MBRT刻蚀效应修正流程 139

5.5.2 刻蚀效应修正和光刻解决方案的共优化 139

5.6 基于机器学习的刻蚀效应修正 140

5.6.1 基于人工神经网络的刻蚀偏差预测 140

5.6.2 刻蚀邻近效应修正算法 141

5.6.3 基于机器学习的刻蚀偏差预测模型案例 142

本章参考文献 143

第6章 可制造性设计 145

6.1 DFM的内涵和外延 145

6.1.1 DFM的内涵 145

6.1.2 DFM的外延 148

6.2 增强版图的健壮性 149

6.2.1 关键区域图形分析（CAA） 149

6.2.2 增大接触的可靠性 150

6.2.3 减少栅极长度和宽度变化对器件性能的影响 151

6.2.4 版图健壮性的计分模型 152

6.3 与光刻工艺关联的DFM 153

6.3.1 使用工艺变化的带宽（PV-band）来评估版图的可制造性 153

6.3.2 使用聚集深度来评估版图的可制造性 155

6.3.3 光刻坏点的计分系统（scoring system） 157

6.3.4 对光刻工艺友好的设计 160

6.3.5 版图与掩模一体化仿真 161

6.4 与CMP工艺关联的DFM 162

6.4.1 CMP的工艺缺陷及其仿真 162

6.4.2 对CMP工艺友好的版图设计 164

6.4.3 填充冗余金属（dummy fill） 165

6.4.4 回避困难图形 165

6.5 DFM的发展及其与设计流程的结合 166

6.5.1 全工艺流程的DFM 166

6.5.2 DFM工具及其与设计流程的结合 168

6.6 提高器件可靠性的设计（DFR） 170

6.6.1 与器件性能相关的DFR 170

6.6.2 与铜互连相关的DFR 172

6.7 基于设计的测量与DFM结果的验证 172

6.7.1 基于设计的测量（DBM） 172

6.7.2 DFM规则有效性的评估 174

本章参考文献 174

第7章 设计与工艺协同优化 177

7.1 工艺流程建立过程中的DTCO 178

7.1.1 不同技术节点DTCO的演进 178

7.1.2 器件结构探索 181

7.1.3 设计规则优化 183

7.1.4 面向标准单元库的DTCO 194

7.2 设计过程中的DTCO 201

7.2.1 考虑设计和工艺相关性的物理设计方法 201

7.2.2 考虑布线的DTCO 205

7.2.3 流片之前的DTCO 213

7.3 基于版图的良率分析及坏点检测的DTCO 216

7.3.1 影响良率的关键图形的检测 217

7.3.2 基于版图的坏点检测 222

本章参考文献 226

附录A 专业词语检索 229