纳米工艺下金属互连缺陷控制的VLSI可制造性设计方法研究

With the development of semiconductor manufacturing process, especially in nanometer nodes, dramatic reduction of production yield makes design for manufacturing a mandatory step in design phase to compensate for design-related yield loss. Methodologies improving the topograryphy after CMP are the main solution to increase yield in design phase, at the cost of more litho variations introduced because of OPE and the sacrifice of design convergence. Based on this problem, this project makes a research on the relationship between lithography variations and chip planarization after CMP in metal interconnect layers, starting from the relationship between litho variations and defocus, to optimize litho simulation and the method of dummy metal filling systematically, leading to the improvement of design convergence. The research includes topics below:1.We research on litho defect influenced by chip planarization and propose a new methodology of model-based localized defocus-aware litho simulation , thus improving litho-friendly routing. 2.We explore a new methodology of litho-aware dummy metal filling, to reduce the guardband in the VLSI design by eliminating the amount of dummy fill inserted, and thus increase products yield. This project is established in the foundation of researches on VLSI design for manufacturing home and aboard, with the significant meaning in guiding circuits design and improving yield.

由于集成电路工艺进入纳米节点后生产率大幅度的下降，要求集成电路在设计阶段必须采取可制造性设计方法来提高生产率。插入冗余金属来改善CMP后芯片平坦度是可制造性设计的主要方法，但面临两个难题：邻近效应造成新的缺陷；改变了电路参数，增加了设计收敛难度。本课题从这一实际问题出发，通过对金属互连层的光刻畸变与CMP后芯片平坦度的关系进行研究，从光刻畸变与失焦的关系入手，系统优化光刻仿真与冗余金属插入方法，提高设计收敛性。主要研究内容包括：1.研究光刻缺陷随平坦度变化的规律，提出一种考虑局部CMP平坦度变化的光刻仿真的方法。2.探索一种考虑光刻畸变的冗余金属填充方法。本项目立足于国内外VLSI可制造性设计方法的基础研究，预期成果对于指导VLSI设计与提高芯片生产率具有现实意义。

本项目研究了纳米节点CMP后平坦度与光刻缺陷的相互影响问题，提出了解决方案。CMP后平坦度变化通过设备失焦影响光刻效果，简单的全局失焦参数已无法满足精确仿真的要求。传统仿真采全局统一的失焦模型，局部的光刻畸变往往会得到过于悲观的预估，增加了设计收敛难度。本项目利用局部失焦参数代替全局失焦参数，提出了考虑局部失焦程度的光刻畸变仿真方法，实现了光刻仿真的精确化。在版图划分的基础上，提取不同区域的CMP厚度仿真结果，根据厚度结果分别选取对应的失焦模型分块仿真。其中失焦值由底层金属和绝缘层的厚度信息决定，通过多层迭代并根据厚度信息与失焦值的关系更改光刻仿真工具的规则文件来实现。项目中准备了仿真数据、仿真环境，设计了仿真策略、仿真流程图并通过Perl与TCL实现了仿真脚本。.为改善添加的冗余金属对原金属互连由于光学邻近效应带来的畸变问题，研究了图形相对位置对光刻畸变的影响，在此基础上提出利用冗余金属预填充修复原始光刻热点、预防产生新的热点，并尽可能减少填充量，实现光刻友好型冗余金属填充。首先研究了图形相对位置对光刻畸变影响研究。通过使用Calibre LFD光刻畸变仿真软件及NCSU工艺库模型，研究了三种典型相对位置关系（线端与线端、线与线端、线与线）的三种典型畸变参数：最小宽度检查（MWC）、最小间距检查（MSC）和线端检查（LEC）。结果显示小范围内，光的波动性使得图形产生明显的干涉、衍射，PVI(MSC)和max(LEC)均呈现周期性变化，在间距达到一定阈值后趋于稳定，线端与线端完全分开的临界值最大。得到对线端位置参数的设置非常重要的结论。其次，研究了冗余金属预填充问题。针对最容易出现光刻畸变的T字型和L字型版图选择了预填充矫正图形，采用控制变量的研究方法，分别提出了预填充修复方案与预填充保护方案。最后，设计了光刻友好型冗余金属填充流程。流程主要分为预填充、常规填充、去掉预填充和修正预填充四步。结果显示本项目设计的方法MWC、MSC与LEC热点分别有8.9%-45%的下降。该研究成果在保证CMP后平坦度的同时减少冗余金属引入的光刻畸变影响，实现了光刻与平坦度间的平衡。.在研究光刻畸变与插入冗余金属改善平坦度互相影响的两种方法关系的同时，本项目还研究了冗余金属插入导致的光刻畸变带来了的关键面积变化对良率的影响，得出了在进行可造性设计中，必须要考虑此影响的结论。