这八戒物性难改,先看他的形貌_一种能提高DRC友好性和CMP形貌的元素金属填充方法

　　摘要：化学机械研磨(CMP)被广泛用于铜镶嵌工艺，研磨后铜的厚度和表面形貌对65纳米以下的工艺显得越来越重要，厚度和形貌的变动会对芯片良率和性能造成恶劣影响，所以必须在设计时就进行慎重的考虑。
　　众所周知，插入冗余金属是提升CMP形貌的一个好方法，通常基于规则的方法广泛用于65纳米及以上工艺中，但是该技术在比较先进制程中显示不出其优越性。本文阐述了一种基于模型的冗余金属填充方法，它是根据设计版图中的周围环境用计算机算法来填充。这一方法的优点有以下几方面：在设计规则检查(DRC)中更少的违规数量，更密集的图形密度分布和更少的填充图案数量，更小的密度和周长梯度。在使用4O纳米工艺的晶圆上，基于模型方法得到的表面平坦度与基于规则的填充方法相当，但是比公开的其它填充方法要好。
　　关键词：化学机械研磨；可制造性设计；冗余图形填充
　　
　　1、简介
　　
　　化学机械研磨(CMP)被广泛用于铜镶嵌工艺，研磨后铜的厚度和表面形貌对65纳米以下的工艺变得越来越重要，过度的厚度和形貌燮动对芯片良率所造成的影响主要体现在以卞几个方面：首先，金属层厚度偏离标准值会使得芯片的时序产生错误，凹陷和过蚀缺陷会使得下一层金属产生粘连，还会使光刻聚焦深度(DOF)工艺窗口不足而产生失效。因此，插入冗余金属在设计时就得慎重考虑。
　　在当今大规模的集成电路生产过程中，冗余金属的插入被广泛地用于调节局部金属的密度，从而改善版图图案均匀性和提高良率。通常，规则冗余金属填充法被用于65纳米及以上的技术，但是，该技术在先进技术中的作用越来越不明显。本文阐述了模型冗余金属填充法。该方法将设计版图划分窗格，通过计算机算法来插入冗余金属。这种新型技术的优点主要体现在以下几个方面：在DRC的审核过程中更少地违反密度规则；更集中的密度分布和更少的插入量；更小的密度和周长梯度。在使用40纳米工艺制造的硅片上所测得表面平整度是可接受的，但是我们的方法比起其它方法更具优越性。
　　
　　2、基于模型冗余的金属填充法
　　
　　传统的规则冗余金属填充法是基于一些规则的，例如，冗余金属的图案尺寸，冗余金属到有用图案的距离，只要空白空间允许，该方法就会填充尽可能多的冗余金属图案。而模型冗余金属填充法是这样的：首先，芯片分成很小的一个个窗格(例如50μm2)，然后计算每个窗格中金属密度和周长。最后根据相邻窗格的各项参数决定填充金属图案。根据我们对电化学镀铜和化学机械研磨工艺的理解，冗余金属填充的目标就是使特征参数变异降到最小，我们通过循环算法来使得填充金属量最小，同时各个相邻的窗格之间的密度及周长梯度差也最小。
　　
　　3、实验结果
　　
　　本文选了2200μm×1600μm大小的芯片来做不同填充方法的对比试验，结果显示：模型填充比规则填充有以下的优越性：在设计规则检查(DRC)中密度准则的违反较少，更集中的密度分布和更少的插入量，更小的密度和周长梯度。在使用40纳米工艺制造的硅片上，表面平坦度与规则填充相当，但是模型填充方法比已存在的其它方法更具优越性。
　　
　　3.1、DRC违规数量
　　
　　设计规则检查(DRC)通过率是版图设计考核的重要标准，表格1是对两者结果的比较。
　　
　　因为某些区域的金属图形与图形的间距太小，所以两种填充方法都无法杜绝密度规则的违反。但是从试验结果可以看出：基于模型的填充方法比基于规则的填充方法有较少的违规，原因有两个：第一，模型填充法定义了许多小尺寸可变形的填充图案，它可以灵活地填充小空间；第二，模型用特殊的算法可以避免错栅现象，图l说明了这个观点(DRC违反规则比较)。
　　
　　
　　3.2、更加集中的密度分布
　　
　　CMP工艺强烈依赖于图形密度分布。图2是图形密度比较，从图中可以看到，基于模型的填充方法的分布更加集中，而基于规则的分布比较分散。同时我们还可以发现，规则的填充数量比基于模型的填充方法的要少，这主要是由于基于模型的填充方法中，建立了一个合理的密度目标。这可以有效地减小由于冗余图形填充而产生的寄生电容。传统的基于规则的填充方法经常会在规则允许的范围内插入很多冗余金属，金属之间以及层与层之间的寄生电容影响会导致器件性能的下降。
　　
　　3.3、较小密度和周长梯度差
　　
　　我们把芯片划分成很小的窗格，然后计算上下左有四个窗格的密度差异，差异最大值称为周长和密度梯度，小梯度会使电化学镀铜(ECP)和化学机械研磨(CMP)后表面平整度变好。图3和图4分别显示密度和周长梯度的比较结果。我们设定密度梯度目标为20％，但不是每个窗格的密度梯度都能达到我们的目标，因为它们受到各种各样的条件限制。模型填充方法有425个窗格梯度大于20％，而规则填充方法有725个。从周长梯度来说，很明显可以看出基于模型比基于规则方法好，因为它有较小的密度梯度分布。
　　
　　
　　3.4、表面平坦度比较
　　
　　最后，我们在SMIC 40纳米工艺上做验证，用原子力显微镜对第一层金属CMP之后的表面形貌进行扫描，图5显示了表面比较结果，共有7条平行扫描线，用Line1～Line7表示，X坐标轴代表在芯片上的水平位置，Y坐标轴代表芯片的表面高度。单单这个例子的结果我们没法看出基于模型的填充方法结果优于基于规则的填充方法，它们结果是相当的，但是事实上我们这种方法是优于其它公开的填充方
　　
　　
　　
　　4、结论
　　
　　本文我们提出一种用于先进半导体工艺的基于模型的冗余金属填充方法，它的优点有：在DRC签核中更少的违规，更加集中的密度分布和更少的填充数量，低的密度和周长梯度。虽然在40纳米工艺硅片上表面平坦度的测试结果是相当的，但是我们基于模型的填充方法是优于其它填充的方法的，将来会在硅片上做进一步的验证。今后，冗余金属填充算法和工艺模拟器、电阻电容提取工具、布局布线工具联合起来应用会成为一个发展趋势。