為什么IC設(shè)計(jì)工程師需要知道光刻

在30多年的半導(dǎo)體制造歷史上，最大的一個(gè)挑戰(zhàn)就是跟上1965年摩爾做出的預(yù)測，即集成電路中的晶體管數(shù)目每兩年翻一番。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，IC尺寸越來越大，而特征尺寸越來越小。有兩個(gè)方法來減小特征尺寸，一是減小用來刻印特征到晶圓的激光器波長，一是調(diào)整成像設(shè)備的數(shù)值孔徑，使得晶圓上的成像更加清晰。

但是當(dāng)特征尺寸低于光源波長時(shí)，從248nm的光刻工具開始情況有了改變。當(dāng)尺寸小于激光波長時(shí)，圖像開始失真，難于光刻。另外，有時(shí)臨近圖像還會(huì)變形。

而更小波長的研發(fā)卻停滯于193nm，很多人在研究超紫外線（EUV）試圖擴(kuò)展193nm光刻的能力。目前，EUV離就緒還有5到15年的時(shí)間。

事實(shí)上，由于成本，EUV可能永遠(yuǎn)不會(huì)就緒。光刻的所有決定最終都?xì)w結(jié)到成本，業(yè)界還沒法在適當(dāng)?shù)某杀鞠峦瞥鲞@樣的精度。

除了波長，關(guān)于精度的另一個(gè)因素就是光刻工具的數(shù)值孔徑（NA）。一個(gè)通用的提高NA的方法是利用水來做浸液式光刻。

從光刻的角度看設(shè)計(jì)的難度，光刻師將特征尺寸代入一個(gè)公式：波長/NA=k1，此處k1是比例后的精度，也是光刻難易程度的一個(gè)表征。k1越大，光刻就越容易，k1越小，光刻就越難。浸液式光刻可以可以使NA大于1，但是還是會(huì)碰到困難，所以提高精度必須采用低k1的方式。

設(shè)計(jì)過程中低的k1就代表光刻越難，光刻對(duì)一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)變得越來越敏感，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須制定很多限制條件，而現(xiàn)在的設(shè)計(jì)規(guī)則變得很復(fù)雜和繁復(fù)，設(shè)計(jì)者想要得到一個(gè)完美結(jié)果很困難。

最近幾年的設(shè)計(jì)都會(huì)很受限，因?yàn)榧す獠ㄩL的減低在未來3到4年不會(huì)發(fā)生，采用浸液式光刻來提高數(shù)值孔徑也已經(jīng)很充分了，所以接下來幾年都會(huì)繼續(xù)使用193nm。想要降低特征尺寸，只能折衷設(shè)計(jì)。

同時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)則也很脆弱，它們對(duì)設(shè)計(jì)者來講變得不再易于配置和遵循，所以在過去的5年里規(guī)則表很明顯沒有完全被依照。

那么該怎么辦呢？要保證光刻師建立一個(gè)良好的設(shè)計(jì)規(guī)則表。并不一定要設(shè)計(jì)師成為光刻專家，也不一定要光刻師成為設(shè)計(jì)專家，但是主要的工作方向還是要健全光刻仿真，光刻師將他們的所知放入工具，而設(shè)計(jì)師可以利用這些數(shù)據(jù)，以此來分析光刻的難易程度。

建立這樣的工具時(shí)最大的問題是工序問題。設(shè)計(jì)者需要在光刻制程確定制程節(jié)點(diǎn)前就布局標(biāo)準(zhǔn)單元，確定布局布線工具。比如你在用3年前TSMC提供的制程做設(shè)計(jì)，對(duì)于32nm，你必須在光刻到位前就開始設(shè)計(jì)，但是光刻制程能否在兩年內(nèi)到位是個(gè)問題，這個(gè)問題就會(huì)在生產(chǎn)開始前影響到設(shè)計(jì)流程。

事實(shí)上，隨著45nm制程的推出，代工廠對(duì)于塊cmos制程開始推薦限制性設(shè)計(jì)工具（RDR），要求采用先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)為生產(chǎn)（DFM：design-for-manufacturing）工具，一些代工廠還推薦設(shè)計(jì)者采用概率分析工具，比如統(tǒng)計(jì)靜態(tài)時(shí)序分析和統(tǒng)計(jì)功耗分析等來減低時(shí)序和功耗問題。

很明顯，RDR的日子已經(jīng)來到。

對(duì)于仿真技術(shù)也有一些問題要解決：你如何確保你仿真的是正確的東西？你如何確保輸入?yún)?shù)就是你想要仿真的參數(shù)？對(duì)于光刻仿真OPC的供應(yīng)商來講，挑戰(zhàn)在于如何利用光刻信息，它們是仿真成功的源泉。

本文是探討光刻對(duì)設(shè)計(jì)工程師工作影響的第一部分，在第二部分中將討論減小特征尺寸的第三種方法：兩次圖形曝光技術(shù)以及光刻仿真方面的一些進(jìn)展。