國產(chǎn)計算光刻再傳好消息

引言：在現(xiàn)代芯片制造工藝中，光刻是非常重要的一個步驟，其過程采用類似照相機的原理，光刻機發(fā)出的光通過具有圖形的掩模版在晶圓上進(jìn)行曝光成像，從而實現(xiàn)將電路圖轉(zhuǎn)印到晶圓上。在理想情況下，晶圓上的成像圖形會與掩模版上的布局設(shè)計完全一樣。但是，當(dāng)掩模版圖形的關(guān)鍵尺寸小于曝光波長的時候，由于衍射效應(yīng)晶圓上的成像會失真，從而與掩模版的布局圖形不是很吻合，此時就需要計算光刻OPC（Optical Proximity Correction）技術(shù)對掩模版的圖形進(jìn)行修正，從而保證印在晶圓上的圖形符合最初的設(shè)計。

東方晶源從創(chuàng)立之初便聚焦計算光刻領(lǐng)域，推出PanGen平臺。經(jīng)過近十年的發(fā)展PanGen已經(jīng)成為集合精確的制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT及SMO等完整功能鏈條的平臺。同時，通過豐富、大量的產(chǎn)線應(yīng)用，東方晶源已經(jīng)成為國內(nèi)計算光刻領(lǐng)域的開拓者、領(lǐng)導(dǎo)者。近期，結(jié)合產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及發(fā)展痛點，東方晶源推出兩款新產(chǎn)品PanGen DMC和PanGen dFO，本文將對這兩款產(chǎn)品的研發(fā)背景、應(yīng)用及成果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

PanGen DMC——基于快速工藝反饋，提供更全面的可制造性檢查

隨著技術(shù)節(jié)點的演進(jìn)，工藝本身變得越來越復(fù)雜，Designer愈發(fā)難以對工藝有全面、系統(tǒng)的認(rèn)識，導(dǎo)致新產(chǎn)品在工藝端流片時需要反復(fù)迭代，經(jīng)歷更長時間的Yield Ramping，增加了芯片投產(chǎn)的成本，也延長了產(chǎn)品面市的時間。據(jù)麥肯錫統(tǒng)計，目前半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)新產(chǎn)品從導(dǎo)入流片到最終良率（Yield）ramp up，大概需要12 ~ 18個月反復(fù)迭代，如果Designer 能提前獲得更多、更全面的工藝信息，則這個過程可以大大簡化和加速，進(jìn)而提升良率、降低成本。

（圖片來自麥肯錫官網(wǎng)）

東方晶源基于堅實的計算光刻平臺PanGen和豐富產(chǎn)業(yè)實踐經(jīng)驗，創(chuàng)新性的開發(fā)了PanGen DMC（Design Manufacturability Check）產(chǎn)品，其內(nèi)嵌D2C（Design To Contour）快速光刻反饋引擎，能夠?qū)AB 全套OPC Recipe解決方案以AI模型的方式進(jìn)行打包，從而使用戶可以基于原始Design快速、精準(zhǔn)估計該Design 最終硅片上的形貌（Contour），進(jìn)而提前預(yù)知設(shè)計版圖存在的潛在風(fēng)險。

D2C引擎能夠準(zhǔn)確的捕捉整套OPC Recipe的行為，給出和完整OPC Recipe非常接近的Contour結(jié)果。從下圖可以直觀的看出，對不同幾何特性的Metal和Via工藝層（Layer）， D2C給出的Contour和完整OPC Recipe給出的Contour幾乎是貼合在一起，即便是綜合計算多個工藝條件下的PV Band（Peak and Valey Band），其結(jié)果也是非常接近。

以一個完整的28nm節(jié)點的RISC-V full chip版圖為例，D2C給出的Contour和完整OPC Recipe給出的Contour在不同的工藝條件下（PW conditions）的差距基本上小于1nm，并且運算速度遠(yuǎn)高于完整OPC Recipe，目前版本實測可提速約 80倍。

隨著工藝技術(shù)日趨復(fù)雜，僅僅靠抽象的規(guī)則很難將整套工藝的方方面面全都包括進(jìn)去，因此一個設(shè)計版圖通過了基于規(guī)則的DRC（Design Rule Check）檢查并不意味著其可以在工藝端有良好的表現(xiàn)。而PanGen DMC可以預(yù)估設(shè)計版圖最終的光刻形貌，以更加全面、直觀的方式提供工藝端的反饋。此外，DRC檢查只是告知一個非黑即白的是否違例的結(jié)論，一定程度的違例到底會在工藝端帶來多大的影響無從得知。而PanGen DMC基于模型能以非常可視化的方式將影響呈現(xiàn)給用戶，幫助用戶在實踐中根據(jù)情況對違例處理進(jìn)行權(quán)衡。故而無論對制造端還是設(shè)計端，該產(chǎn)品都可以作為現(xiàn)有DRC（Design Rule Check）工具非常有力的補充，在尊重客戶已有工作流程的基礎(chǔ)上，幫助客戶于DRC檢查之外更全面的發(fā)現(xiàn)版圖在工藝可制造性方面的風(fēng)險，從而加速迭代、降低時間成本，使新的芯片產(chǎn)品在流片過程中能更快拉升良率，更早推向市場。

PanGen dFO——有效消除壞點，提供更徹底的OPC解決方案

晶圓廠在進(jìn)行OPC時，會針對具體技術(shù)節(jié)點各工藝層版圖的特性，開發(fā)OPC Recipe，例如針對28nm技術(shù)節(jié)點金屬層的OPC Recipe。OPC Recipe本質(zhì)上是一系列優(yōu)化策略和參數(shù)的設(shè)置，能夠?qū)⑤斎氲恼麄€工藝層的原始版圖轉(zhuǎn)化為可以在硅片上按設(shè)想形貌成像的掩模版圖形。OPC Recipe在開發(fā)時會考慮該技術(shù)節(jié)點下多樣化的圖形輸入，并對設(shè)計版圖實施OPC優(yōu)化之后進(jìn)行光刻仿真檢測（LRC），如果檢測發(fā)現(xiàn)有壞點，則對OPC Recipe進(jìn)行迭代改進(jìn)，從而盡可能的使OPC Recipe可以完全應(yīng)對各種設(shè)計版圖。當(dāng)OPC Recipe確定后，就會從晶圓廠的研發(fā)部門轉(zhuǎn)移到量產(chǎn)部門，投入到大規(guī)模生產(chǎn)中。

但是金無足赤，器無完器，實踐中OPC Recipe可能并不能很好的覆蓋一些版圖的某些位置的圖案，其輸出的掩模版圖形無法給出預(yù)期成像結(jié)果，從而產(chǎn)生壞點（Hot Spot），影響最終芯片良率，這是晶圓廠需要面對的實際痛點問題。此時就需要根據(jù)光刻仿真檢測（LRC）的反饋，對該處掩模版圖形做局部的修改，即Mask Repair。

Mask Repair能有效的幫助OPC 工程師消除壞點，但是有可能對mask局部修改過大，導(dǎo)致該處圖形形狀極端，從而對掩模版制造的工藝擾動過于敏感，產(chǎn)生新的問題；并且有些情況下，設(shè)計版圖的形貌天然就會導(dǎo)致該處成像質(zhì)量較差，此時反復(fù)迭代Repair Mask 就很難收斂到一個比較理想的結(jié)果 ！

東方晶源在現(xiàn)有的計算光刻平臺PanGen 基礎(chǔ)之上，創(chuàng)新性的把局部Mask Repair 拓展到局部的Design微調(diào)，推出PanGen dFO （defect free OPC）產(chǎn)品，以一種遞進(jìn)式的策略，持續(xù)自動查缺補漏，可提供更徹底的OPC 解決方案。 實踐中針對全芯片光刻仿真檢測（LRC）發(fā)現(xiàn)的壞點，首先采用局部Mask Repair 的辦法，如果能直接解決，則針對該壞點的處理結(jié)束。如果不能解決，則通過局部自動微調(diào)設(shè)計的方式來解決該壞點。例如開始有1000 個壞點，可能有相當(dāng)一部分已經(jīng)在第一步局部Mask Repair 的過程中被解決， 只有剩下少部分壞點會進(jìn)入下一步局部微調(diào)設(shè)計的步驟中。

根據(jù)光刻仿真反饋局部自動微調(diào)設(shè)計版圖，對整個設(shè)計的改動微乎其微，對芯片設(shè)計本身的功能不會有影響，但是對實際的光刻卻能產(chǎn)生非常正面的幫助，屬于四兩撥千斤，針對某些頑固壞點可以起到撥云見日的效果。如下圖所示，0.2 nm 的Design 自動微調(diào)，成效顯著：

下面測試實例基于 28nm 節(jié)點一個 4000um * 4500 um 完整RISC-V芯片M2層，可以看出通過PanGen dFO的持續(xù)改進(jìn)，壞點數(shù)量有了非常顯著的減少。

OPC在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的戰(zhàn)略樞紐作用，如果沒有OPC所有先進(jìn)節(jié)點的晶圓廠將失去將芯片設(shè)計轉(zhuǎn)化為芯片產(chǎn)品的能力，但難解的壞點就像晴天上的幾朵烏云，制約著OPC Recipe更普適的發(fā)揮作用，從而影響晶圓廠的生產(chǎn)效率和良率。PanGen dFO 基于東方晶源已有的技術(shù)要素，創(chuàng)新性的將局部Mask Repair和局部的Design微調(diào)遞進(jìn)式的整合在一起，持續(xù)查缺補漏，化解OPC Recipe 難解的頑固壞點，撥云見日，為晶圓廠更高效的提升良率提供更多助力！