内容简介
本书是可制造性设计的详细指南,提供了经过验证的、优化电路设计的方法,以提高产品的良率、可靠性和可制造性,并减少缺陷和故障。本书首先介绍了CMOS VLSI设计的趋势,并简要介绍了可制造性设计和可靠性设计的基本概念;其次介绍了半导体制造的各种工艺步骤,并探讨了工艺与器件偏差以及分辨率增强技术;然后深入研究了半导体制造过程中的各种制造缺陷及其对电路的影响,并讨论了可靠性问题的物理机制及其影响;最后探讨了在电路实现过程中不同阶段采用DFM和DFR方法所带来的变化。本书不仅适合从事半导体设计的工程师和研究人员阅读,还可以作为相关专业本科生和研究生的参考教材。
目录
译者序
前言
第1章绪论1
1.1技术趋势:摩尔定律的扩展1
1.1.1器件改进2
1.1.2材料科学的贡献5
1.1.3深亚波长光刻技术7
1.2可制造性设计11
1.2.1DFM的价值和经济性12
1.2.2制造偏差14
1.2.3基于模型的DFM方法的必要性17
1.3可靠性设计18
1.4本章小结18
参考文献19
第2章半导体制造技术21
2.1引言21
2.2图形化工艺22
2.2.1光刻技术23
2.2.2刻蚀技术25
2.3光学图案形成28
2.3.1照明29
2.3.2衍射30
2.3.3成像透镜34
2.3.4曝光系统36
2.3.5空间像与还原成像37
2.3.6光刻胶图形形成38
2.3.7部分相干性40
2.4光刻建模41
2.4.1现象学建模42
2.4.2全物理光刻胶建模44
2.5本章小结45
参考文献45
第3章CMOS工艺与器件偏差:分析与建模47
3.1引言47
3.2栅极长度偏差52
3.2.1光刻引起的图案偏差52
3.2.2线边缘粗糙度:理论与表征61
3.3栅极宽度偏差64
3.4原子波动66
3.5金属和介质的厚度偏差67
3.6应力引起的偏差71
3.7本章小结73
参考文献73
第4章可制造性设计理念77
4.1引言77
4.2光刻工艺窗口控制81
4.3分辨率增强技术84
4.3.1光学邻近效应修正85
4.3.2亚分辨率辅助图形88
4.3.3相移掩膜90
4.3.4离轴照明94
4.4基于DFM的物理设计96
4.4.1几何设计规则96
4.4.2限制性设计规则96
4.4.3基于模型的规则检查和适印性验证98
4.4.4可制造性感知的标准单元设计99
4.4.5缓解天线效应103
4.4.6基于DFM的布局和布线105
4.5先进光刻技术108
4.5.1双重图形技术108
4.5.2反演光刻技术112
4.5.3其他先进技术116
4.6本章小结116
参考文献116
第5章产业界的计量方法、缺陷及弥补120
5.1引言120
5.2工艺缺陷122
5.2.1误差来源分类123
5.2.2缺陷相互作用和电效应125
5.2.3颗粒缺陷的模型化126
5.2.4改善关键区域的版图方法131
5.3图形缺陷133
5.3.1图形缺陷类型133
5.3.2图形密度问题134
5.3.3图形缺陷建模的统计方法135
5.3.4减少图形缺陷的版图方法139
5.4计量141
5.4.1测量中的精度和允许偏差141
5.4.2CD计量142
5.4.3套刻对准计量146
5.4.4其他在线计量148
5.4.5原位计量149
5.5失效分析技术150
5.5.1无损检测技术151
5.5.2有损检测技术152
5.6本章小结153
参考文献153
第6章缺陷建模与提高良率技术157
6.1引言157
6.2缺陷对电路行为影响的建模158
6.2.1缺陷故障关系159
6.2.2缺陷故障模型的作用160
6.2.3测试流程166
6.3提高良率167
6.3.1容错168
6.3.2避错177
6.4本章小结180
参考文献181
第7章物理设计和可靠性183
7.1引言183
7.2电迁移186
7.3热载流子效应188
7.3.1热载流子注入机制188
7.3.2器件损坏特性190
7.3.3时间依赖性介电击穿191
7.3.4缓解由HCI引起的退化191
7.4负偏置温度不稳定性192
7.4.1反应扩散模型193
7.4.2静态和动态NBTI194
7.4.3设计技术195
7.5静电放电196
7.6软错误198
7.6.1软错误的类型198
7.6.2软错误率198
7.6.3可靠性的SER缓解和纠正199
7.7可靠性筛选和测试199
7.8本章小结200
参考文献200
第8章可制造性设计:工具和方法论203
8.1引言203
8.2集成电路设计流程中的DFx204
8.2.1标准单元设计204
8.2.2库表征205
8.2.3布局、布线和冗余填充206
8.2.4验证、掩膜合成和检验207
8.2.5工艺与器件仿真207
8.3电气DFM208
8.4统计设计与投资回报率208
8.5优化工具的DFM210
8.6DFM感知的可靠性分析212
8.7面向未来技术节点的DFx213
8.8本章小结214
参考文献214
前言/序言
本书旨在向读者介绍可制造性设计(Design For Manufacturability,DFM)和可靠性设计(Design For Reliability,DFR)。由于DFM和DFR的相关主题在众多会议和大量期刊中均有广泛讨论,因此,本书更注重介绍原则和理念,而非深入每个主题的细节。每章末尾均提供参考文献,供读者学习。为了更好地理解本书,读者应具备超大规模集成(Very Large Scale Integration,VLSI)电路设计的基本知识,包括单元库特征化和物理版图开发。
本书凝聚了两位作者在DFM和DFR领域的研究成果。Sandip Kundu教授还在美国马萨诸塞大学开设了一门关于DFM和DFR的课程。本书的组织结构很大程度上基于该课程的教学框架。因此,读者有望从本书中受益匪浅。本书还广泛讨论了成本、约束、计算效率和方法学,因此对设计工程师也具有重要的参考价值。
本书分为8章。第1章介绍了当前互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)VLSI设计的趋势,简要概述了新器件、材料科学和光学对实现高性能和低功耗设计的基础性贡献。该章对DFM的基本概念进行了介绍,并讨论了其在当前设计系统和设计流程中的相关性和应用。该章还从DFR、计算机辅助设计(Computer-Aided Design,CAD)流程以及通过设计优化提高产品寿命的角度探讨了纳米级CMOS VLSI设计中的可靠性问题。
第2章介绍了半导体制造技术,包括氧化、扩散、金属沉积和图形化。该章聚焦涉及光刻(photolithography)和刻蚀技术的图形化步骤。该章还讨论了光刻建模,以便有效分析给定设计的可制造性。光刻建模技术分为现象学建模和全物理光刻胶建模两类,该章对其在准确性和计算效率方面进行了比较。
第3章主要探讨了当前和未来CMOS器件工艺参数的偏差及影响。该章讨论的主题包括图形化中的偏差、掺杂密度波动以及由于化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)和应力引起的介电层厚度变化。
第4章解释了通过分析布局进行光刻控制的基本原理,并介绍了光刻参数和概念的重要性。该章通过光学邻近效应修正(Optical Proximity Correction,OPC)、相移掩膜(Phase Shift Masking,PSM)和离轴照明(Off-Axis Illumination,OAI)等分辨率增强技术,阐明了光刻过程中变异性的控制。该章还介绍了基于模型的设计规则检查的演变及其他传统物理设计的CAD工具的变化。该章最后介绍了用于推进分辨率极限的先进光刻技术,如双重图形技术、反演光刻技术和光源掩膜协同优化技术。
第5章深入研究了半导体制造过程中存在的各种工艺缺陷。这些缺陷分为污染物(颗粒缺陷)和设计版图本身(图形缺陷)两类。该章介绍了如何利用关键区域(Critical Area,CA)估算颗粒缺陷的良率,以及如何利用线宽模型估算图形缺陷的良率。该章还描述了计量和失效分析技术及其在半导体测量中的应用。
第6章讨论了颗粒缺陷和图形缺陷对电路工作性能的影响,讨论了缺陷模型和故障模型,这两种模型可在存在缺陷的情况下有效识别和预测设计行为。该章还探讨了如何通过容错和避错技术来提高设计良率。
第7章讨论了可靠性问题的物理机制及其影响。该章解释并说明了热载流子注入(Hot Carrier Injection,HCI)、负偏置温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)、电迁移(Electro-Migration,EM)和静电放电(Electro-Static Discharge,ESD)等可靠性机制。该章还讨论了这些可靠性故障机制的平均失效时间及其设计解决方案。
第8章探讨了在电路实现过程中不同阶段采用DFM和DFR方法所带来的变化。这些变化涉及CAD工具和方法学,包括库表征、标准单元设计和物理设计。该章深入讨论了统计设计方法和基于模型的DFM-DFR问题解决方案的需求,还详细介绍了未来设计中可靠性DFM方法的重要性。
本书的核心主题是设计过程中做出的决策将影响产品的可制造性、良率和可靠性。产品的经济成功与良率和可制造性密切相关,而以往这些因素主要取决于制造厂的效率和生产力。在本书各章中,读者将看到设计方法对产品经济成功的影响。