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隨著工藝技術(shù)朝著90納米以下轉(zhuǎn)移,為了確保硅片的一次成功和可接受的量產(chǎn)良品率,對模型,工具和設(shè)計流程都提出了與以往明顯不同的要求。為了充分考慮在制造過程中影響良品率的因素,如化學(xué)金屬處理(CMP)、次波長光刻效應(yīng)以及工藝變化敏感度,必須建立新的器件和互連模型,并進(jìn)一步細(xì)化現(xiàn)有的器件和互連模型,以便對現(xiàn)有的設(shè)計方法進(jìn)行擴(kuò)充,創(chuàng)建更為精確的參數(shù)提取方法。
因為制造工藝效應(yīng)對硅片電學(xué)性能的影響越來越大,所以在IC開發(fā)的早期階段,設(shè)計者就需要對可制造性設(shè)計(DFM)技術(shù)的應(yīng)用給予更多的關(guān)注。半導(dǎo)體廠商已經(jīng)意識到如果在產(chǎn)品前端開發(fā)時沒有充分考慮到制造工藝效果,那么就會導(dǎo)致后端硅片生產(chǎn)失敗,即便在最好的情況下,也會導(dǎo)致硅片無法充分利用先進(jìn)的制造工藝。
圖1:在納米工藝中,
與性能相關(guān)的因素已經(jīng)成為
影響硅片良率的決定因素。
[資料來源:International
Business Solutions,《全球系統(tǒng)集成
電路(ASSP/ASIC)服務(wù)管理報告》,
2004年5月]
為了應(yīng)對與制造過程相關(guān)的新問題,需要從最根本的設(shè)計層面進(jìn)行調(diào)整。比如,在應(yīng)用納米技術(shù)之前,傳統(tǒng)的單元式設(shè)計方法是在庫的基礎(chǔ)上成功搭建的,這些庫只具有為數(shù)不多的不同的Process Corner的特征。而在納米節(jié)點,工藝變化和電學(xué)效應(yīng)會同時影響芯片的性能,這樣一來,通過傳統(tǒng)方法創(chuàng)建的設(shè)計方案在就不再勝任,因為傳統(tǒng)的建模技術(shù)和分析方法沒有考慮到這些效應(yīng),因而會降低設(shè)計者預(yù)測硅片性能的能力。即使設(shè)計者采用了合理的時序和布線冗余,也不能確保硅片功能正常,甚至導(dǎo)致硅片設(shè)計失敗。
為了應(yīng)對新的納米效應(yīng),IC設(shè)計者需要采用新的方法,以便通過功能增強(qiáng)的設(shè)計流程,工具和模型對現(xiàn)有設(shè)計能力進(jìn)行擴(kuò)展,從而確保設(shè)計者能夠在納米工藝中以可靠的方式預(yù)知硅片性能。
納米效應(yīng)
在更先進(jìn)的工藝節(jié)點中,影響整體良品率的因素越來越多。實際上,與設(shè)計相關(guān)的問題對納米級硅片良品率的影響已經(jīng)越來越大,超過了工藝因素和新出現(xiàn)的光刻效應(yīng)(圖1)。
在納米設(shè)計中,工程師所面臨的漏電流更大,這樣一來就增加了整體功耗。另外,在較精密的尺寸下使用較低的電源電壓會導(dǎo)致較低的噪聲容限,從而增加了設(shè)計對信號完整性(SI)問題如串?dāng)_和耦合的敏感性。與此同時,在密布的互連中,更高的時鐘頻率也意味著信號的頻率更高,寄生效應(yīng)會增加,從而使信號完整性對電路時序和功能的影響加大。所以業(yè)界研究人員發(fā)現(xiàn)大部分量品率問題都與互連相關(guān)也就不足為怪了。
如果要通過設(shè)計來解決這些問題,會讓問題變得更為復(fù)雜。比如說,為了解決時鐘頻率增加的問題,設(shè)計者要進(jìn)一步嚴(yán)格設(shè)計參數(shù),從而會增加設(shè)計周期。與此同時,硅片上高密度的功能布線增加了精確建模的難度,從而使模擬結(jié)果越來越嚴(yán)重偏離實際硅片性能。并且,在單位功能電路的面積不斷縮小的情況下,設(shè)計者要處理的器件參數(shù)統(tǒng)計變化情況也越來越棘手,因為此時器件參數(shù)變化值和工藝標(biāo)準(zhǔn)偏差一般都會增加。
圖2:納米效應(yīng)的影響日益增加,從
而使采用傳統(tǒng)開發(fā)方法設(shè)計的硅片失
敗風(fēng)險越來越大。
針對各種納米效應(yīng)的累計效果,半導(dǎo)體廠商們發(fā)現(xiàn)只有40%多一點的納米設(shè)計能夠按照預(yù)期進(jìn)行操作,如果要獲得與可接受的良品率和性能,那么60%多的設(shè)計都需要重新進(jìn)行掩膜投片。現(xiàn)在有趨勢表明:在小于90納米的技術(shù)節(jié)點中,設(shè)計的成功率甚至更低(圖2)。
在這種情況下,重新投片顯著增加了生產(chǎn)成本,尤其是納米節(jié)點中的成本。例如,一個生產(chǎn)130納米器件的典型半導(dǎo)體公司要為設(shè)計付出1,000萬美元或者更多,為掩膜支付75萬美元到100萬美元。而在90納米節(jié)點中,單是掩膜成本就要增加25~50%。在這些直接成本增加的同時,鑒于上市時間推遲,取得利潤的時間會減少。并且因為上市時間被推遲,在產(chǎn)品周期隨日新月異的消費(fèi)需求而縮短、市場空間亦不斷受到擠壓的情況下,產(chǎn)品銷售量也會降低,從而使最終收入減少。
考慮到生產(chǎn)和設(shè)計環(huán)節(jié)之間已經(jīng)越來越密不可分,毫無疑問,那些定位于硅片供應(yīng)鏈上單一環(huán)節(jié)的單點式戰(zhàn)略將不能有效地解決日益突出的可制造性設(shè)計問題。相反,我們應(yīng)該采取更合適、更為全面的方法,使其涵蓋IC開發(fā)各個階段,其中的第一步就是IC設(shè)計本身。
設(shè)計的影響
納米效應(yīng)在很大程度上左右著IC開發(fā),這些效應(yīng)會影響到設(shè)計風(fēng)格、設(shè)計尺寸、生產(chǎn)過程以及硅片良品率。隨著市場需求的快速變化,設(shè)計的復(fù)雜度日益增加。根據(jù)市場需求,混合信號電路不斷增加,硅片的功能也不斷增強(qiáng)。與此同時,因為市場空間不斷受到擠壓,開發(fā)進(jìn)度更要緊鑼密鼓,在這種情況下,知識產(chǎn)權(quán)(IP)的作用會越來越重要。
在設(shè)計層面上,隨著電源電壓的降低和設(shè)計者對功耗關(guān)注程度的增加,低功耗策略越來越受到人們的重視。設(shè)計者不斷采納相關(guān)策略以降低功耗,比如把一個IC內(nèi)的區(qū)域整塊切換到低功耗等待模式。
在大型高速芯片中,要求設(shè)計者不斷改良時鐘分配方案。隨著納米效應(yīng)影響的日益加深,設(shè)計者需要采用更為有效的時鐘分配方法,以便能夠在大型設(shè)計中控制時鐘偏移,并增強(qiáng)與電壓降和信號完整性相關(guān)的電源網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
圖3:在更低的電源電壓下,傳統(tǒng)的
線性降額方法的準(zhǔn)確性下降。
即便設(shè)計者考慮到了這些問題,制造過程對電路性能的影響還是有增無減。除非充分考慮了下游的相關(guān)要求,否則光刻效應(yīng)會對電路行為造成很大的影響,甚至導(dǎo)致重新投片。除此之外,在銅工藝中,因為化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)而導(dǎo)致的電阻變化會導(dǎo)致時序偏差,從而影響到硅片的性能和功能。
除了對電路性能所造成的顯著影響以外,這些效應(yīng)還會直接影響到設(shè)計過程。設(shè)計規(guī)模不斷擴(kuò)大,附加設(shè)計數(shù)據(jù)不斷增加,在這種情況下,為了對設(shè)計進(jìn)行精確分析,并處理好可制造性設(shè)計問題,就要處理越來越多的數(shù)據(jù)。進(jìn)而,在大型電路設(shè)計組中,工具載入時間和運(yùn)行時間都會增加,即便在設(shè)計者需要對大型電路進(jìn)行更多類型的快速深入分析的情況下也概莫能外。
在這種環(huán)境下,簡單的可制造性技術(shù),如冗余過孔插入,在納米設(shè)計中已經(jīng)不能滿足更廣泛的方法的需要。相反,現(xiàn)在出現(xiàn)的可制造性設(shè)計是基于功能增強(qiáng)的設(shè)計流程而展開的,這些設(shè)計利用了與制造過程密切相關(guān)的工具和周密的模型,能夠?qū){米硅片的性能進(jìn)行更精確的分析和可靠的預(yù)測。
更改設(shè)計流程
為了應(yīng)對納米效應(yīng),需要對設(shè)計流程本身進(jìn)行周密的更改。雖然設(shè)計者仍然會使用既有模式,新的設(shè)計流程還需要更好地解決在設(shè)計和制造環(huán)節(jié)之間存在的相互依賴的關(guān)系,處理好納米效應(yīng)。
在很多在業(yè)界最先進(jìn)的設(shè)計流程中,設(shè)計者都逐漸意識到了電壓降對時序的顯著影響,這種影響即使在微米節(jié)點中也同樣存在。在納米節(jié)點中,電壓降能夠增加時鐘和信號偏移,從而在時序嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)致保持時間和建立時間違例。因而,在很多設(shè)計流程中,電壓降分析已經(jīng)成為設(shè)計簽付(sign-off)過程中重要的一部分。
對于納米設(shè)計來說,還需要通過同步的功耗和信號完整性分析來進(jìn)一步加強(qiáng)這種分析的效果,以便能夠處理這些因素之間的關(guān)系,例如精確地預(yù)測電壓降對噪聲引入的時序變化的影響。另外,在這種分析中,還會借助靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的方法進(jìn)行全面的功耗和信號完整性驗證。除了分析電遷移問題以外,靜態(tài)方法能夠?qū)﹄娫淳W(wǎng)絡(luò)的操作進(jìn)行驗證,找到與全局電源布線相關(guān)的問題,比如開路、布線寬度不足、電源帶不足、過孔缺失以及過孔陣列缺失。在這些情況下,需要通過額外的動態(tài)方法優(yōu)化電源網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)性能,并給出電源網(wǎng)絡(luò)中電壓降的瞬變,這些瞬變通常是因為局部器件的同時開關(guān)而導(dǎo)致的。通過這個功能增強(qiáng)的電源分析子流程,設(shè)計者能夠更有效地確認(rèn)應(yīng)該在什么位置對去耦電容進(jìn)行優(yōu)化,以降低電壓降的瞬變幅度,或者縮小泄漏電流。
因為電壓降和信號完整性等因素和時序之間存在的密切關(guān)系,在半導(dǎo)體設(shè)計流程中,設(shè)計和設(shè)計簽付工具之間的結(jié)合也越來越緊密。因為設(shè)計者面臨著進(jìn)度壓力,如果延期,成本也會進(jìn)一步增加,所以他們在較早的設(shè)計階段就會采用這些全面的分析子流程,從而以更為快速和經(jīng)濟(jì)的方式解決問題。
工具的影響
因為設(shè)計者在較早的設(shè)計階段就需要對后端問題進(jìn)行預(yù)估,所以他們要在早期開發(fā)階段不斷增強(qiáng)針對制造過程的處理能力。這樣一來,在功能增強(qiáng)的設(shè)計流程中,在已有的設(shè)計工具之外,還會引入新的面向制造過程的工具。
圖4:面向制造的工具會自動對
設(shè)計進(jìn)行居中處理,其方式是通過多
次操作不斷添加新的邊角,
直到在最優(yōu)化的可行區(qū)域內(nèi)把設(shè)
計重新居中為止。
舉例來說,傳統(tǒng)的功耗分析方法通常借助一個單一的降額(de-rate)因數(shù)來確定設(shè)計中的電壓降效應(yīng)。實際上,電壓降對于時序的影響與電源電壓之間的關(guān)系并不是線性的(圖3)。
這樣一來,通過簡單的降額功耗來進(jìn)行靜態(tài)時序分析,就不能對與電壓降相關(guān)的信號歪斜變化所導(dǎo)致的建立時間或者保持時間的違例進(jìn)行確認(rèn)。如果要對這些效應(yīng)進(jìn)行精確分析,就要在靜態(tài)時序分析流程中采用相關(guān)的分析算法,這些算法能夠利用基于實例的操作電壓進(jìn)行運(yùn)算。在這里,每一個實例的分析都采用了其特有的操作條件。隨著更多先進(jìn)的工具逐漸采納了這些方法,設(shè)計者能夠通過實例的細(xì)節(jié)來更準(zhǔn)確地計算路徑延遲。
除了上述增強(qiáng)功能之外,設(shè)計者還需要獲得相關(guān)的設(shè)計能力,以便能夠以更直接的方式處理制造過程中的變數(shù)對設(shè)計性能和良品率的影響。例如,新的以設(shè)計為核心的方法可以生成正確的器件幾何模型,從而能夠在工藝參數(shù)分布范圍的中央滿足其技術(shù)要求。在這里,以設(shè)計為核心的方法能夠把統(tǒng)計邊角自動添加到設(shè)計目標(biāo)中去,并對特征尺寸進(jìn)行優(yōu)化,直到在制造效應(yīng)可能產(chǎn)生影響的范圍內(nèi)使設(shè)計居中為止(圖4)。
新的工具還應(yīng)該支持下游開發(fā)階段。比如說,在次波長光刻中使用的分辨率增強(qiáng)技術(shù)(RET)日趨復(fù)雜,這就要求相關(guān)的工具能夠在設(shè)計的早期就能夠確定潛在的光刻問題。在設(shè)計鏈中引入新的面向光刻的工具以后,設(shè)計者就能更有效地處理次波長光刻中的各種效應(yīng)。在工程師設(shè)計單個單元的過程中,這些工具能夠發(fā)現(xiàn)潛在的問題,避免在相移掩膜(PSM)或者光學(xué)臨進(jìn)效應(yīng)修正(OPC)過程中出現(xiàn)與下游開發(fā)相關(guān)的問題。
另外,因為分辨率增強(qiáng)技術(shù)的運(yùn)行時間限制了新納米設(shè)計的開發(fā),所以次波長光刻需要通過選擇性更強(qiáng)的方式來進(jìn)行,也就是增強(qiáng)面向特定設(shè)計結(jié)構(gòu)的針對性。這種工具能夠把與重要設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息傳遞給光刻過程,從而使光學(xué)臨近效應(yīng)修正操作集中到特定的設(shè)計區(qū)域,并且降低光學(xué)臨進(jìn)效應(yīng)修正的運(yùn)行時間。隨著這些工具在設(shè)計鏈中的不斷前移,半導(dǎo)體公司能夠把光學(xué)臨進(jìn)效應(yīng)的修正要求降低到最低限度,從而生產(chǎn)出復(fù)雜度盡可能低的掩膜板,減少成本,最大限度地優(yōu)化器件性能和增加芯片良品率。
與此類似,現(xiàn)有的工具還應(yīng)該支持范圍更廣的數(shù)據(jù),如由領(lǐng)先的芯片代工廠所設(shè)計的擴(kuò)展的設(shè)計規(guī)則組。如果能夠支持這些擴(kuò)展的規(guī)則組,相關(guān)的工具就能找出設(shè)計中對制造效應(yīng)尤為敏感的特定區(qū)域。因為這類深層的分析需要更長的運(yùn)行時間,確定特定區(qū)域和對特定區(qū)域的分析對于優(yōu)化設(shè)計的快速實現(xiàn)具有重要意義。
建模的影響
為了滿足新的可制造性設(shè)計的要求,在新老工具中都需要加入越來越完善的器件,單元和工藝模型。為了得到精確的結(jié)果,需要對多驅(qū)動單元,時鐘網(wǎng)格,長互連的延遲進(jìn)行詳細(xì)計算,并且要把電壓降和信號完整性對時序的影響考慮在內(nèi)。而要進(jìn)行精確的延遲計算,就需要使用完備的模型,這些模型應(yīng)該能夠提供所有相關(guān)工藝/電壓/溫度點的準(zhǔn)確時序數(shù)據(jù)。由此說來,設(shè)計者需要用到完全特征化的IP模型和庫,這些模型和庫是根據(jù)代工廠所提供的實際參數(shù)全面重新校準(zhǔn)過的。
圖5:用于單個Slew數(shù)值的ECSM數(shù)據(jù)。
為了支持更廣泛的分析,這些工具還要利用更為精確的模型,如有效電流源模型(ECSM)。根據(jù)實際觀測結(jié)果,傳統(tǒng)方法在精確度方面存在著問題,所以有必要使用有效電流源模型。傳統(tǒng)的延遲計算器和時序分析引擎僅在單一的額定電壓等級上支持精確的延遲計算,如果引入其它電壓值,那么線性降額值經(jīng)常會超過SPICE計算結(jié)果20%(尤其是對于較慢的低功耗單元來說),從而產(chǎn)生誤差。即使是對于能夠針對所有相關(guān)電壓等級進(jìn)行時序檢查的延遲計算器來說,內(nèi)插誤差依然存在。
在包括基于表格的模型和基于多項式的模型在內(nèi)的傳統(tǒng)延遲模型中,驅(qū)動會作為一個電壓源進(jìn)行建模。在一個較長的工藝中,為了在各種電壓等級中對單元延遲進(jìn)行精確的建模,這些模型必須進(jìn)行特征化處理。比如說,如果要在三個不同的工藝/溫度范圍內(nèi)使用六個不同的電壓等級,那么就需要對18個時序庫分別進(jìn)行特征化處理。
與此相反,在非線性ECSM延遲模型中,通過對輸入偏移和輸出負(fù)載電容的不同組合方式在多個時間間隔內(nèi)使用特征化的電流和電壓測量值(電流/電壓曲線)(圖5),ECSM能夠非常精確地模擬晶體管行為,在晶體管模型同樣是基于電流源的情況下,其模擬結(jié)果與SPICE的誤差范圍通常不超過2%。
ECSM的電流/電壓曲線用來創(chuàng)建一個更精確的輸出驅(qū)動模型,其中的每一個驅(qū)動都用一個電壓控制的電流源來表示。借助這個驅(qū)動電流,ECSM能夠通過對RC網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動進(jìn)行模擬來確定電壓值。接下來可以借助驅(qū)動電壓和接收電壓生成RC網(wǎng)絡(luò)的時序參數(shù)。因為ECSM同時包含了電流和電壓信息,在它們的幫助下,可以針對電壓變化對延遲的影響進(jìn)行建模,并且在此過程中,不需要針對每個可能的電壓等級使用特征化數(shù)據(jù)。
ECSM能夠?qū)в卸嘀仳?qū)動(如時鐘網(wǎng)眼)的電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確的建模,同時還會減少附加的時鐘模擬操作以及重復(fù)的手工操作。如果設(shè)計者擁有較為出色的驅(qū)動模型,那么互連延遲的建模也會更為精確。在很多情況下,ECSM都能夠精確地預(yù)測單元和互連的延遲,如長互連和并行驅(qū)動(包括時鐘網(wǎng)眼),而其它基于單元的延遲模型在這些方面都存在著一些問題。
參數(shù)提取的要求
除了完全特征化的模型以外,功能增強(qiáng)的流程和分析工具與精確的后布線數(shù)據(jù)之間的關(guān)系也越來越密切。過去,設(shè)計者能夠接受諸如集總電容這樣的近似值,并且只需要通過增加時序或者布線容限就可以抵消在較早的工藝節(jié)點中所出現(xiàn)的模擬誤差或較小的制造偏差。而在先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點中,納米效應(yīng)對時序的影響超出了合理的容限范圍,從而導(dǎo)致最初硅片的功能失效,為了診斷故障原因和對故障進(jìn)行隔離,也要花費(fèi)較高的代價。
在先進(jìn)工藝技術(shù)中,設(shè)計者需要提取精確的寄生參數(shù),以提供詳細(xì)的相關(guān)數(shù)據(jù),從而在制造過程變數(shù)增加的情況下,最大限度地減少保險設(shè)計和額外容限。對于引入了個體布線性能變化的先進(jìn)銅制造工藝來說,精確的寄生參數(shù)提取尤為重要。因為銅的質(zhì)地比周圍的電介質(zhì)要軟,所以化學(xué)機(jī)械拋光會導(dǎo)致整個芯片上的銅層厚度不夠均勻,這樣一來,即使是同樣長度的金屬線也會產(chǎn)生不同的寄生延遲,使實際的硅片性能與預(yù)期的時序行為產(chǎn)生偏差。半導(dǎo)體廠商通過插入偽金屬來增加整個芯片上的銅線均勻度,減少化學(xué)機(jī)械拋光的影響。精確的寄生參數(shù)提取必須能夠同時反映偽金屬插入的電學(xué)效果,比如說增加的耦合以及負(fù)載電容。
先進(jìn)的參數(shù)提取過程包含了針對高級電介質(zhì)和梯形導(dǎo)體,銅工藝以及當(dāng)今工藝中的其它相關(guān)技術(shù)的精確3D建模和特征化處理。這些更為精確的參數(shù)提取方法能夠反映出與制造過程相關(guān)的電阻和電容變化,從而使設(shè)計者能夠減小設(shè)計容限,提高硅片性能和良品率。
參考文獻(xiàn)
[1] International Business Solutions, Global System IC (ASSP/ASIC) Service Management Report, 2004年5月
作者:Mark Miller
營銷和商業(yè)開發(fā)部副總裁
David Thon
DFM部產(chǎn)品營銷組主管
Cadence設(shè)計系統(tǒng)公司
