摘 要：隨著制造工藝尺寸的縮小，可制造性不只是工廠需要關(guān)注的問題，更是設(shè)計(jì)者需要考慮的重點(diǎn)，從而提高良率和版圖面積的利用率。為了使設(shè)計(jì)者更好地理解和控制可制造性，對標(biāo)準(zhǔn)單元的可制造性分級顯得尤為重要。用加權(quán)重的方法對標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行可制造性分級，該方法不但包含可制造性規(guī)則對版圖的約束，還創(chuàng)新性地把工藝參數(shù)變化對其造成的影響考慮了進(jìn)去。用一套簡化的可制造性規(guī)則和版圖來演示此種分級方法的實(shí)現(xiàn)，并用模擬結(jié)果驗(yàn)證了它的有效性。該分級方法具有統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，可以被廣泛采用。

關(guān)鍵詞：可制造性；標(biāo)準(zhǔn)單元；權(quán)重；光刻模擬

中圖分類號：TN40文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-034-03

Standard Cell DFM Grading

ZHANG Ziwen1，GONG Min1，CHEN Lan2

(1.Micro-electronics Technology Key Lab of Sichuan Province，School of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu，610064，China;

2.EDA Center，Chinese Academy of Science，Beijing，100029，China)

Abstract：In order to improve the yield and productivity，both foundry and circuit designers should consider the Design for Manufacturability (DFM) as process geometric shrink.Therefore，grading standard cell seems more urgent and important to help designers understand and control DFM.This paper uses weighting approach to grade standard cell.This new method includes both design rule restriction and process parameter affect.This paper uses a set of simplified DFM rules and layout to implement the grading approach.Then it uses litho-simulation to validate the effectiveness of this approach.This grading method is unified and standardized，so it can be wildly used.

Keywords：DFM;standard cell;weighting approach;litho-simulation

1 引 言

IC工業(yè)的發(fā)展使得設(shè)計(jì)工程師不斷面臨新技術(shù)、新挑戰(zhàn)。為了滿足設(shè)計(jì)越來越苛刻的要求，設(shè)計(jì)人員需要考慮的方面也成倍增加——從性能、面積到功耗、可測性等。然而當(dāng)工藝發(fā)展到90 nm以下后，一個(gè)更加難以測量和控制的因素凸顯了出來：良率。

造成良率損失的原因是由于越來越復(fù)雜的制造工藝。它大致可分為3個(gè)方面：隨機(jī)缺陷^［1］，與圖形相關(guān)的制造缺陷^［2］，可光刻性的缺陷^［3］。其中，后兩項(xiàng)構(gòu)成了當(dāng)今可制造性設(shè)計(jì)(Design For Manufacturability，DFM)的主要考慮要素^［4］。

為了能使集成電路從設(shè)計(jì)階段就將良率考慮進(jìn)去，對標(biāo)準(zhǔn)單元的可制造性分級顯得尤為迫切和重要。本文對設(shè)計(jì)規(guī)則和工藝參數(shù)對電路可制造性的影響進(jìn)行分析，從而對標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行分級。

2 標(biāo)準(zhǔn)單元可制造性分級的必要性

IC設(shè)計(jì)發(fā)展到今天，對標(biāo)準(zhǔn)單元的各種度量(Metrics)已比較成熟，綜合工具能夠利用這些度量，來綜合出設(shè)計(jì)所需的電路。面積是最容易被精確測量出的參量，一般用平方微米來表示一個(gè)單元的大小。性能一般用延時(shí)納秒表示?，F(xiàn)在延時(shí)一般用幾個(gè)工藝情況(process corners，e.g.fast，slow，typical)來描述，這樣存在不準(zhǔn)確的情況。更為嚴(yán)重問題是在深亞微米設(shè)計(jì)下，連線延時(shí)變成了延時(shí)的主因^［5］。傳統(tǒng)的連線延時(shí)模型(Wire Load Model)已經(jīng)不能滿足精度的要求，綜合工具已經(jīng)開始更多地把布局信息考慮進(jìn)去。功耗通常包括動(dòng)態(tài)功耗和漏電功耗這2個(gè)部分。但總的來說，這些參量都能夠用Spice較好的估算出來。

在理想狀況下，可制造性也因該與功耗、性能、面積一樣，被綜合工具所用，但目前要實(shí)現(xiàn)還有一定的難度。首先，可制造性并不像其他度量一樣有一個(gè)被業(yè)界廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，良率的范圍也很難被統(tǒng)一地界定。其次，雖然一些研究對標(biāo)準(zhǔn)單元的可制造性進(jìn)行了優(yōu)化^{［6，7］}，使得良率更高，但要求性能無限制提升是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)樵诓粩嗵岣吡悸实耐瑫r(shí)，也對掩膜提出了更高的要求，這樣會(huì)使成本大幅提高，大規(guī)模集成也就失去了意義。再有，并不是版圖的每一個(gè)部分都需要被修改以提高良率，而只需要對某些關(guān)鍵的區(qū)域進(jìn)行修改，便可使整體良率得到提升。亦即只需對關(guān)鍵區(qū)域的良率提出更高的要求。從上述幾點(diǎn)看來，對版圖的可制造性分級就顯得十分必要和迫切。

3 考慮工藝變化的標(biāo)準(zhǔn)單元可制造性分級

標(biāo)準(zhǔn)單元的可制造性分級大致分為2種：一種是基于規(guī)則(Design Rule)的^［8］，一種是基于模型的^［9］。前者是根據(jù)Foundry在長期生產(chǎn)中積累的數(shù)據(jù)，建立起的比較成熟的規(guī)則。它的優(yōu)點(diǎn)是減少了掩膜制造的復(fù)雜度(雖然現(xiàn)在Design Rule中的DFM Rule也在不斷增加)，并且和傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)流程完全一致，降低了對設(shè)計(jì)者的要求。缺點(diǎn)是精度不高，且可控性不強(qiáng)即不能對特定的區(qū)域指定特定的良率。另一種是基于模型的方法。它是對掩膜進(jìn)行光刻、CMP等仿真，將得到的圖形與版圖比對，然后迭代修改直至圖形失真達(dá)到可接受的程度。它的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)測更精確，缺點(diǎn)在于計(jì)算及數(shù)據(jù)量太大，且需要修改流程，對設(shè)計(jì)者要求更高。此外，實(shí)施全芯片仿真迭代并收斂是很困難的。

綜合考慮上述可制造性分級的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了考慮工藝變化的標(biāo)準(zhǔn)單元可制造性分級。這種方法以DFM rule對版圖的約束為基礎(chǔ)，綜合考量工藝參數(shù)變化對其造成的影響，用加權(quán)的方法對其分級。這種分級方法比基于規(guī)則的分級方法精度更高，可控性更強(qiáng)，而數(shù)據(jù)量增加有限。更為關(guān)鍵的是，這種分級方法有統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，所以它適用于不同的工藝、不同的Foundry。如果能夠被業(yè)界接受，并被廣泛使用，那么可制造性會(huì)成為像Spice這一黃金標(biāo)準(zhǔn)(Golden Standard)中的其他參量一樣，更好地被設(shè)計(jì)者估算和運(yùn)用。

本文分級方法分為設(shè)計(jì)規(guī)則影響因子和工藝參數(shù)影響因子2部分，如表1所示。

表1 分級方法

DFM規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則影響因子工藝參數(shù)影響因子

發(fā)生概率1權(quán)重因子

規(guī)則權(quán)重因子 影響因子函數(shù)…

發(fā)生概率n權(quán)重因子

最終，可制造性指數(shù)=∑設(shè)計(jì)規(guī)則影響因子×工藝參數(shù)影響因子。

首先是設(shè)計(jì)規(guī)則影響因子，它包含了2部分：權(quán)重因子和影響因子函數(shù)。各主流代工廠如臺積電(TSMC)、富士通(Fujitsu)、中芯國際(SMIC)等在工藝達(dá)到90 nm或65 nm時(shí)，都對自己的標(biāo)準(zhǔn)單元庫提出了DFM規(guī)則。所謂DFM規(guī)則是指在設(shè)計(jì)規(guī)則(Required Design Rule)的基礎(chǔ)上，代工廠給出能使良率更高的推薦規(guī)則(Recommended Rule)。各代工廠的推薦規(guī)則類似但各有不同。本文的分級方法包含了所有的DFM規(guī)則，并對DFM規(guī)則加以權(quán)重，使得對可制造性影響更大的的因素凸現(xiàn)出來。要保證∑ni=1權(quán)重因子i=1，這樣才會(huì)使得分級具有統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性。此外，如果Foundry A沒有Foundry B 的某個(gè)DFM規(guī)則，只需把權(quán)重因子賦為0即可消除此規(guī)則。另一部分是影響因子函數(shù)，它對最小間距和推薦規(guī)則進(jìn)行了細(xì)分，這樣使得可制造性精度更高。函數(shù)如下所示：在設(shè)計(jì)規(guī)則要求以下是不允許的，因此為0。在設(shè)計(jì)規(guī)則和推薦規(guī)則之間可由Foundry 給出遞增函數(shù)。在大于推薦規(guī)則的情況下，y值恒為1。

y=0，x≤required

f(x)，required≤x≤recommended

1，x≥recommended

其次用工藝參數(shù)因子把工藝變化考慮進(jìn)去。對于同一個(gè)DFM規(guī)則，每個(gè)Foundry的工藝各有不同。即便對于同一Foundry，在工藝實(shí)現(xiàn)時(shí)也會(huì)隨著工藝參數(shù)變化而變化。以多晶(POLY)間距這一規(guī)則為例，即便采用相同的版圖規(guī)則——其間距為一恒定值，但由于制造工藝參數(shù)：離焦(Cefocus)不一樣，也會(huì)使得實(shí)際制造出的圖形的關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension)有很大的變化?；谀Ｐ?sup>［10］:P=∑60d=-60［WF(d)+WG(d)］A可得到可光刻性數(shù)值，在此也將其轉(zhuǎn)化成權(quán)重因子。同時(shí)，出現(xiàn)這幾種散焦的概率不同，在此用發(fā)生概率因子加以區(qū)分。發(fā)生概率與影響因子乘積的和，便可以體現(xiàn)工藝參數(shù)對該規(guī)則的影響，這使得分級更精確，可控性更強(qiáng)。

4 可制造性分級舉例及分析

本文旨在方法學(xué)的探究，因此只取2個(gè)DFM規(guī)則為例。這種簡化在原理上并無差別，因此不失其一般性。以90 nm工藝實(shí)例化表1，得表2中各參數(shù)。

設(shè)計(jì)規(guī)則影響函數(shù)如圖1所示。

圖1 影響因子函數(shù)圖

表2 分級舉例實(shí)現(xiàn)

DFM規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則影響因子工藝參數(shù)影響因子

規(guī)則1：同一有源區(qū)中多晶硅柵間距0.7 y=0，x≤0.15f₁(x)，0.15≤x≤0.21，x≥0.2

Prob(0 nm Defocus)=0.60.2

Prob(100 nm Defocus)=0.30.1

Prob(150 nm Defocus)=0.10.7

規(guī)則2：L形多晶柵到

有源區(qū)的距離0.3 y=0，x≤0.08f₂(x)，0.08≤x≤0.121，x≥0.12

Prob(0 nm Defocus)=0.60.2

Prob(100 nm Defocus)=0.30.1

Prob(150 nm Defocus)=0.10.7

假設(shè)有2個(gè)版圖，基本圖形和參數(shù)如圖2，表3所示。根據(jù)DFM要求只需取多晶層和有源層。

圖2 DFM版圖規(guī)則

表3 DFM版圖參數(shù)

DFM1 rule/nmDFM2 rule2/nm

版圖116090

版圖2200120

根據(jù)表2得到版圖1和版圖2的可制造性指數(shù)分別為0.047 3和0.22?？梢姲鎴D2的可制造性要遠(yuǎn)高于版圖1。圖3為光刻模擬結(jié)果，它印證了可自造性指數(shù)的有效性。

圖3 光刻模擬圖

5 結(jié) 語

在可制造性越來越重要的今天，讓設(shè)計(jì)者對電路的可制造性進(jìn)行量化處理顯得越來越迫切。本文提供了一種對標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行可制造性分級的解決方案。這種設(shè)計(jì)方法考慮了設(shè)計(jì)和工藝雙重因素，使得分級精度更高，可控性更強(qiáng)，具有統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性。

本文所用方法需提供給各代工廠一個(gè)全面的DFM規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，讓其自行選擇所需要的規(guī)則，提供這樣全面的標(biāo)準(zhǔn)并不容易。此外標(biāo)準(zhǔn)要考慮光刻性、化學(xué)機(jī)械拋光等因素，因此完成這樣的標(biāo)準(zhǔn)還有很多工作要做。

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作者簡介

張子文 男，1983年出生，四川成都人，碩士研究生。研究方向?yàn)閿?shù)字超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)及共性技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文