國産計算光刻再傳好消息

/ 引言 /

在現代芯片制造工藝中，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，光刻機發出的光通過具有圖形的掩模版在晶圓上進行曝光成像，從而實現将電路圖轉印到晶圓上。在理想情況下，晶圓上的成像圖形會與掩模版上的布局設計完全一樣。但是，當掩模版圖形的關鍵尺寸小于曝光波長的時候，由于衍射效應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）技術對掩模版的圖形進行修正，從而保證印在晶圓上的圖形符合最初的設計。

東方晶源從創立之初便聚焦計算光刻領域，推出 PanGen 平台。經過近十年的發展 PanGen 已經成爲集合精确的制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT 及 SMO 等完整功能鏈條的平台。同時，通過豐富、大量的産線應用，東方晶源已經成爲國内計算光刻領域的開拓者、領導者。近期，結合産業應用及發展痛點，東方晶源推出兩款新産品 PanGen DMC 和 PanGen dFO，本文将對這兩款産品的研發背景、應用及成果進行詳細介紹。

PanGen DMC ——

基于快速工藝反饋，提供更全面的可制造性檢查

随着技術節點的演進，工藝本身變得越來越複雜，Designer 愈發難以對工藝有全面、系統的認識，導緻新産品在工藝端流片時需要反複叠代，經曆更長時間的 Yield Ramping，增加了芯片投産的成本，也延長了産品面市的時間。據麥肯錫統計，目前半導體行業内新産品從導入流片到最終良率（Yield）ramp up，大概需要 12 ~ 18 個月反複叠代，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，進而提升良率、降低成本。

（圖片來自麥肯錫官網）

東方晶源基于堅實的計算光刻平台 PanGen 和豐富産業實踐經驗，創新性的開發了 PanGen DMC（Design Manufacturability Check）産品，其内嵌 D2C（Design To Contour）快速光刻反饋引擎，能夠将 FAB 全套 OPC Recipe 解決方案以 AI 模型的方式進行打包，從而使用戶可以基于原始 Design 快速、精準估計該 Design 最終矽片上的形貌（Contour），進而提前預知設計版圖存在的潛在風險。

D2C 引擎能夠準确的捕捉整套 OPC Recipe 的行爲，給出和完整 OPC Recipe 非常接近的 Contour 結果。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），其結果也是非常接近。

以一個完整的 28nm 節點的 RISC-V full chip 版圖爲例，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，并且運算速度遠高于完整 OPC Recipe，目前版本實測可提速約 80 倍。

随着工藝技術日趨複雜，僅僅靠抽象的規則很難将整套工藝的方方面面全都包括進去，因此一個設計版圖通過了基于規則的 DRC（Design Rule Check）檢查并不意味着其可以在工藝端有良好的表現。而 PanGen DMC 可以預估設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 檢查隻是告知一個非黑即白的是否違例的結論，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将影響呈現給用戶，幫助用戶在實踐中根據情況對違例處理進行權衡。故而無論對制造端還是設計端，該産品都可以作爲現有 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上，幫助客戶于 DRC 檢查之外更全面的發現版圖在工藝可制造性方面的風險，從而加速叠代、降低時間成本，使新的芯片産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

晶圓廠在進行 OPC 時，會針對具體技術節點各工藝層版圖的特性，開發 OPC Recipe，例如針對 28nm 技術節點金屬層的 OPC Recipe。OPC Recipe 本質上是一系列優化策略和參數的設置，能夠将輸入的整個工藝層的原始版圖轉化爲可以在矽片上按設想形貌成像的掩模版圖形。OPC Recipe 在開發時會考慮該技術節點下多樣化的圖形輸入，并對設計版圖實施 OPC 優化之後進行光刻仿真檢測（LRC），如果檢測發現有壞點，則對 OPC Recipe 進行叠代改進，從而盡可能的使 OPC Recipe 可以完全應對各種設計版圖。當 OPC Recipe 确定後，就會從晶圓廠的研發部門轉移到量産部門，投入到大規模生産中。

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期成像結果，從而産生壞點（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，導緻該處圖形形狀極端，從而對掩模版制造的工藝擾動過于敏感，産生新的問題；并且有些情況下，設計版圖的形貌天然就會導緻該處成像質量較差，此時反複叠代 Repair Mask 就很難收斂到一個比較理想的結果 ！

東方晶源在現有的計算光刻平台 PanGen 基礎之上，創新性的把局部 Mask Repair 拓展到局部的 Design 微調，推出 PanGen dFO （defect free OPC）産品，以一種遞進式的策略，持續自動查缺補漏，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）發現的壞點，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束。如果不能解決，則通過局部自動微調設計的方式來解決該壞點。例如開始有 1000 個壞點，可能有相當一部分已經在第一步局部 Mask Repair 的過程中被解決， 隻有剩下少部分壞點會進入下一步局部微調設計的步驟中。

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

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

OPC 在半導體産業鏈中發揮着極其關鍵的戰略樞紐作用，如果沒有 OPC 所有先進節點的晶圓廠将失去将芯片設計轉化爲芯片産品的能力，但難解的壞點就像晴天上的幾朵烏雲，制約着 OPC Recipe 更普适的發揮作用，從而影響晶圓廠的生産效率和良率。PanGen dFO 基于東方晶源已有的技術要素，創新性的将局部 Mask Repair 和局部的 Design 微調遞進式的整合在一起，持續查缺補漏，化解 OPC Recipe 難解的頑固壞點，撥雲見日，爲晶圓廠更高效的提升良率提供更多助力！