光刻版数据处理中的工艺涨缩问题

光刻版数据处理中的工艺涨缩问题
1引言
集成电路（IC）是现代信息技术的核心和电子整机的心脏。

硅基集成电路的平面工艺和图形光刻仍然是当今大规模集成电路生产中的主流技术。

集成电路制造公司采用光刻机将光刻版上的图形投影到硅片或其他半导体材质上。

一般一个集成电路芯片的生产需要许多光刻版套刻而成（常常是6到20多层）。

光刻版是集成电路生产中的关键工具，其质量直接决定了最终集成电路产品的成败。

光刻版，有时也称为光掩模或者光罩，通常为高纯度精密石英玻璃版，上面载有金属铬形成的集成电路图形。

2 光刻版数据处理
在集成电路设计公司将集成电路设计出带(Tapeout)后，就可以从版图得到光刻图形生产光刻版了。

从设计公司出带的版图得到生产光刻版所需要的光刻图形的过程称为光刻版数据处理。

从版图图形到光刻版图形有下列方法：
●直接对应
一块光刻版直接与版图中的某一层直接对应。

例如，金属层对应某版图中的第7层。

●逻辑运算
一块光刻版与版图中的某些层对应，是它们逻辑运算的结果。

例如，通常p+注入层与N+注入层的图形是互补的。

这样在版图中可能只有P+注入层（PPLUS）的图形，p +注入层的光刻版可以直接从该层版图图形而来，而n +注入层的光刻版则从PPLUS层版图经过逻辑“非”运算就可得到。

在光刻版数据处理中逻辑“非”运算可以通过反转来实现。

有时某层光刻版图形是好几层版图图形相加的结果，则是将这些层进行逻辑“或”运算。

●图形涨缩
一块光刻版由版图中的某种图形拓展而来。

例如，通常在MOS器件的版图中只画有栅区图形而没有栅注入图形，栅注入层的光刻版图形是由版图中的栅区图形拓展一定量得到，在光刻版数据处理中可以通过对栅区图形进行正涨缩处理来得到栅注入层的图形。

完整的能直接用于生产的光刻版除了包括与电路一致的图形外还包括许多辅助图形。

常见的辅助图形包括：
●游标
●光刻对准图形
●曝光量控制图形
●关键尺寸监测图形
●测试键图形
●光学对准目标图形
●划片槽图形
●其他辅助图形，例如器件名称、光刻版序号、厂家商标和版号日期等。

这些图形有的是由集成电路设计公司提供，例如大部份的测试键图形, 有的是由集成电路代工厂提供，例如游标，关键尺寸监测图形，曝光量控制图形等，还有的是光刻版工厂自己提供的图形，例如光刻版工厂自己的商标，版号日期等。

对这些图形也要进行相应的数据处理以使他们符合生产工艺的要求。

3正涨缩与负涨缩问题
图形涨缩是光刻版数据处理中重要的一个步骤。

所谓涨缩是指图形上的数据区根据涨缩量向里收缩或向外拓展。

通常图形需要涨缩是基于两方面的要求：
●集成电路设计公司版图设计的要求。

在上面提到的某些层的版图是由另外一层版图经过周边拓展而得到的，这时需要通过涨缩来实现；
●集成电路代工厂工艺的要求。

同样的版图在不同的代工厂之间或同一代工厂不同工艺间，光刻出的图形是有偏差的，这时需要在光刻版上进行对应的补偿。

涨缩包括正涨缩和负涨缩。

进行正涨缩的情形有：
●例如，MOS器件中，由集成电路设计公司
版图设计中，若只有栅区图形，则栅注入图形可以通过栅区图形进行正涨缩得到；
●在集成电路代工厂的生产中，例如对线条图形，在光刻过程中，经过曝光，显影，去胶，后烘，在硅片上得到的最终图形会比光刻版的图形小。

这种偏差可以通过在光刻版上对该层图形进行正涨缩得到补偿，具体的涨缩量由工艺决定。

进行负涨缩的情形有：
●例如，MOS器件中，由集成电路设计公司版图设计中，若只有栅注入图形，则栅区图形可以通过栅注入图形进行负涨缩得到；
●在集成电路代工厂的生产中，例如对孔层图形，在光刻过程中，经过曝光，显影，去胶，后烘，由于光的衍射作用和光刻胶去胶过程中的工艺处理，在硅片上得到的最终图形会比光刻版上的图形大。

这种偏差可以通过在光刻版上对该层图形进行负涨缩得到补偿，具体的涨缩量由工艺决定。

示意图如图1所示：
4涨缩与反转处理的次序问题
在数据处理中，反转也是重要的一个步骤。

例如在上面提到的n+注入层图形可以通过对p +注入层的图形进行反转处理而得到，反之，p +注入层图形可以通过对n+注入层的图形进行反转处理而得到。

另外，有时由于正胶工艺和负胶工艺同时存在，对某些层需要同时制作正版与反版。

进行反转操作时，需要根据芯片尺寸画号反转框，反版可以通过几个方式得到：
●将反转框与原始图形进行异或逻辑运算（XOR）,得到反转图形。

这种运算与图形顺序无关。

由于反转框是数据区，用逻辑“1”代表，原始图形用A代表，该逻辑运算表示为：
1 XOR A =(1 AND !A) OR (0 AND A) = !A (1)
A XOR 1 =(A AND 0) OR (!A AND 1) =!A (2)
由上面的推导可知，式(1) 和(2) 式的逻辑运算结果相同，该种逻辑运算能得到反转图形，且与图形顺序无关。

●将反转框与原始图形进行与非逻辑运算(AND NOT) ，得到反转图形。

这种运算与图形顺序相关。

1 AND NOT A =NOT A = !A (3)
A AND NOT 1 =A AND 0 = 0 (4)
由上面的推导可知，式(3) 的逻辑运算能得到反转图形，即反转框在前而原始图形在后。

式(4) 的逻辑运算则得不到反转图形。

当对某层图形需要同时进行涨缩和反转操作时，由于涨缩运算只是在数据区进行，涨缩与反转的次序就会影响最终的图形。

错误的次序将导致严重后果，生产出来的光刻版将是废品。

例如，某层图形需要反转，涨缩量是-0.35mm, 先涨缩再反转和先反转再涨缩的图形示意图如图2所示。

由于涨缩是在数据区发生作用的，两者操作次序导致最终的结果是图形相差达0.7μm。

正确的次序应当是先涨缩再反转。

5涨缩时位于边沿的图形的处理
当图形处于芯片的边沿时，进行涨缩处理时必须考虑这些图形涨缩前后的特性。

进行正涨缩时，这些图形可能超出芯片范围而进行负涨缩时则会使这些图形偏离芯片边沿。

例如在引脚层(PAD) ，各个引脚基本上处于芯片边沿，该层进行正涨缩和负涨缩的示意图如图3所示。

工艺上要求图形在涨缩之后仍然在芯片范围之内而且PAD仍然是紧贴在芯片边沿。

对于正涨缩时图形超出芯片范围和负涨缩时图形偏离芯片边沿，必须进行图形补偿。

另外在图形涨缩之前，必须进行图形合并。

在这里，合并运算是必须进行的一个步骤。

否则负涨缩将导致图形分离，若将这样的光刻版用于集成电路生产，将形成电路的断路，导致产品报废。

图4所示的是合并对负涨缩运算的影响：
6 实际应用
目前已经有些商业EDA软件应用在光刻版数据处理中，例如Numerical Technologies 公司的CATS软件。

另外CADENCE 公司的Virtuoso 软件也可以进行一部份的光刻版数据处理。

在我们自己开发的MaskShop软件中，对图形涨缩，反转等问题进行了专门的处理，其处理出来的光刻版图形已应用在5009和6012两种型号的光刻版生产中，所生产出的光刻版已经得到了集成电路代工厂的认证，用于集成电路的生产。

7 结束语
目前大多数的IC设计EDA软件主要侧重于逻辑综合，布局和布线以及验证，不适合直接用于光刻版数据处理。

已有的专门用于光刻版数据处理的商业EDA软件比较少且价格昂贵，其内部处理机制也属商业秘密范围。

我们通过研究，将光刻版数据处理的特殊性包括在自己开发的EDA软件中并且在实际生产中得到了验证。

当然光刻版数据处理还有许多问题仍需进一步解决，例如芯片布局和图形插入的自动化问题等。

光刻版数据处理EDA软件将朝着更加自动化，智能化的方向发展。