在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,計算光刻技術(shù)是推動芯片制程不斷突破的關(guān)鍵因素之一。隨著集成電路的尺寸不斷縮小,計算光刻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,成為提升光刻精度和芯片性能的重要手段。在國內(nèi)尖端光刻設(shè)備受限的背景下,其重要性更是不言而喻。
在這一技術(shù)革新的浪潮中,東方晶源以其前瞻性的布局和強(qiáng)大的研發(fā)能力,成為推動計算光刻技術(shù)發(fā)展的先鋒,以及國內(nèi)半導(dǎo)體制造行業(yè)實現(xiàn)技術(shù)飛躍的關(guān)鍵力量。
從基于規(guī)則、模型到基于ILT,計算光刻進(jìn)入3.0時代
光刻是將集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形從掩膜轉(zhuǎn)移到硅片或其他半導(dǎo)體基片表面上的工藝過程,是實現(xiàn)芯片制造的關(guān)鍵技術(shù)。在摩爾定律的推動下,集成電路的尺寸不斷縮小,光刻技術(shù)同樣逐步逼近其分辨率的物理極限,同時光刻系統(tǒng)的衍射受限特性,以及各類系統(tǒng)像差、誤差和工藝偏差,導(dǎo)致圖案模糊或失真,嚴(yán)重影響光刻成像精度。
在此背景下,計算光刻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它基于光學(xué)成像和光刻工藝模型,采用數(shù)學(xué)方法對光刻系統(tǒng)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行獨立或綜合優(yōu)化設(shè)計,通過計算機(jī)模擬和優(yōu)化光刻過程,能夠預(yù)測和改善光刻過程中的成像效果,補(bǔ)償因衍射或光學(xué)、抗蝕劑和蝕刻鄰近效應(yīng)而導(dǎo)致的各種圖像誤差,從而提高芯片制造的良率和性能。計算光刻技術(shù)的發(fā)展對于實現(xiàn)集成電路更小的特征尺寸、更高的集成度和更好的性能至關(guān)重要。
進(jìn)入0.18um工藝節(jié)點以后,就需要采用計算光刻來提升光刻系統(tǒng)的成像性能。從誕生至今,計算光刻的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。首先是基于規(guī)則的OPC(光學(xué)鄰近校正),早期的計算光刻技術(shù)依賴于經(jīng)驗和規(guī)則,通過預(yù)先設(shè)定的規(guī)則庫對光刻掩膜進(jìn)行調(diào)整,以補(bǔ)償光刻過程中的各種誤差。隨后,隨著技術(shù)的發(fā)展,基于物理模型的OPC技術(shù)取代了基于規(guī)則的方法,通過數(shù)學(xué)模型來預(yù)測光刻過程,提高了光刻精度和效率?,F(xiàn)在,計算光刻技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入基于ILT(反向光刻技術(shù))的3.0時代。
東方晶源EDA軟件研發(fā)負(fù)責(zé)人丁明博士指出,ILT技術(shù)基于精準(zhǔn)的光刻數(shù)學(xué)模型,從目標(biāo)芯片圖形出發(fā),逆向推導(dǎo)獲得最優(yōu)化掩膜圖形,極大地提升優(yōu)化的靈活性和精準(zhǔn)度,更能滿足先進(jìn)制程對圖形精度的苛刻需求。在工藝制程不斷縮微的征途中,ILT技術(shù)無疑將是提升制造良率的關(guān)鍵技術(shù)。
“相比傳統(tǒng)光刻技術(shù),ILT的優(yōu)勢在于,第一,無需提前建立曝光輔助圖形規(guī)則,通常這一過程非常耗時、復(fù)雜; 第二,ILT基于實際的物理過程模型并以制造良率為目標(biāo)驅(qū)動,獲得的掩膜結(jié)果更為精準(zhǔn);第三,ILT掩膜優(yōu)化自由度更高,采用更為先進(jìn)的優(yōu)化算法,獲得的優(yōu)化解更優(yōu)?!倍〔┦勘硎尽?/p>
不過他也指出,這項技術(shù)起源于2000年左右,雖然已有超過20年歷史,但是一直以來尚未突破廣泛量產(chǎn)應(yīng)用的諸多挑戰(zhàn)。一是ILT計算光刻所需計算量龐大,無法被量產(chǎn)采用。二是傳統(tǒng)計算光刻方法在28nm及以上工藝節(jié)點,相對成熟,用戶切換到ILT技術(shù)的意愿性不強(qiáng)。三是復(fù)雜掩膜制造難度大。
“ILT的計算過程比傳統(tǒng)OPC更為復(fù)雜,計算時間要長出許多,尤其是芯片制程逐漸來到10nm及以下,圖形密度增加且光刻工藝更為復(fù)雜,計算所需的時間也越來越長,對于芯片制造商是一個巨大的負(fù)擔(dān)?!倍〔┦勘硎?,“同時ILT技術(shù)得到的初始理想掩膜結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為可制造的掩膜圖形。這就需要對所生成的掩膜復(fù)雜度進(jìn)行控制,保證掩膜的可制造性,不可避免會對優(yōu)化質(zhì)量或者說光刻性能有所犧牲。因此在掩膜復(fù)雜度和光刻性能的平衡上也是需要認(rèn)真考慮的一個現(xiàn)實問題。”
顯然,隨著人工智能、高性能計算芯片等驅(qū)動工藝制程繼續(xù)向前,ILT已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然選擇。丁博士認(rèn)為,鑒于國際上對EUV光刻在2nm工藝制程時必須引入ILT達(dá)成一致共識,而國內(nèi)在尖端光刻設(shè)備受限的情況下,對ILT的迫切性更高,因此國內(nèi)ILT計算光刻時代將會提前到來。
突破技術(shù)難點,東方晶源ILT解決方案再革新
東方晶源作為專注于集成電路制造良率管理的企業(yè),在制造端EDA方面取得了諸多傲人的成績,圍繞計算光刻環(huán)節(jié),旗下PanGen?平臺已經(jīng)形成八個產(chǎn)品矩陣,包括精確的制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT、SMO、DMC,具備完整的計算光刻相關(guān)EDA工具鏈條,產(chǎn)品體系完備,技術(shù)成熟。目前已通過國內(nèi)各主流邏輯、存儲芯片制造廠商驗證并投入大規(guī)模使用,量產(chǎn)掩膜超6000張,工藝覆蓋90~1x納米節(jié)點。
在計算光刻領(lǐng)域,丁博士指出,東方晶源自公司創(chuàng)立以來就前瞻性地圍繞ILT進(jìn)行研究,在國內(nèi)率先實現(xiàn)了全芯片級別的基于ILT技術(shù)的掩膜優(yōu)化。面對當(dāng)前國內(nèi)工藝制程的迫切需求,近期東方晶源ILT解決方案又成功攻克眾多技術(shù)難題,包括優(yōu)化收斂性、結(jié)果一致性、人工智能加速、掩膜復(fù)雜度重整化等,目前正在國內(nèi)各大存儲、邏輯晶圓廠商加緊驗證。
東方晶源ILT解決方案創(chuàng)新之處以及優(yōu)勢體現(xiàn)在:
第一,支持矩形圖形(Rectangle)、曼哈頓圖形(Manhattan)以及未來曲線圖形(Curvilinear)等不同復(fù)雜度掩膜設(shè)計,適應(yīng)不同客戶及應(yīng)用場景需求。
第二,基于獨創(chuàng)的混合圖形圖像優(yōu)化算法,控制ILT優(yōu)化變量數(shù)目,提升優(yōu)化效率;同時對理想優(yōu)化掩膜結(jié)果進(jìn)行物理性約束,提升優(yōu)化質(zhì)量。
第三,領(lǐng)先地采用CPU+GPU的混合超算架構(gòu)以及開放式的軟件架構(gòu),核心計算模塊采用CUDA進(jìn)行加速,結(jié)合自研的booster加速算法使得全芯片ILT成為現(xiàn)實。與此同時,引入人工智能技術(shù),進(jìn)一步提升東方晶源全新產(chǎn)品PanGen ILT?解決方案計算效率,實現(xiàn)更好的收斂結(jié)果以及更好的掩膜一致性。其深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測結(jié)果與ILT計算結(jié)果相似度高達(dá)95%,同時獲得幾十倍的提速。
丁博士表示,東方晶源革新后的全芯片ILT解決方案完整驗證預(yù)計將于今年底完成,從目前已獲得的部分驗證結(jié)果來看,對于客戶關(guān)注的關(guān)鍵點位,其在工藝窗口及成像質(zhì)量等方面均有較為明顯的改善。另外,除了前沿工藝節(jié)點,ILT技術(shù)在成熟制程中也可實現(xiàn)工藝開發(fā)流程的加速,降低對各種復(fù)雜工藝規(guī)則建立的依賴,減少工藝研制中的試驗輪次,提高工藝開發(fā)的效率和準(zhǔn)確性。
隨著半導(dǎo)體工藝?yán)^續(xù)演進(jìn),在人工智能和云計算的發(fā)展推動下,ILT技術(shù)也將更為全面地走向AI based ILT,在效率和性能上的優(yōu)勢更加突顯。與此同時,結(jié)合云計算,通過“上云”進(jìn)一步加速ILT的廣泛運(yùn)用,也將為中小型芯片設(shè)計與制造企業(yè)提供更為經(jīng)濟(jì)和靈活的解決方案。
當(dāng)前的ILT技術(shù)積累可以應(yīng)用于更先進(jìn)的制程節(jié)點,當(dāng)然更先進(jìn)的制程節(jié)點將會帶來更大的挑戰(zhàn)。丁博士指出,首先是優(yōu)化變量的增加將會使ILT的計算量劇增;其次對掩膜復(fù)雜度要求會進(jìn)一步提高,曲線圖形將會廣泛采用,需要更高效的曲線掩膜存儲及表征優(yōu)化技術(shù);最后需要支持各種不斷涌現(xiàn)的新型工藝。
“隨著國內(nèi)半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,東方晶源的ILT技術(shù)將繼續(xù)引領(lǐng)計算光刻技術(shù)的變革,推動整個行業(yè)進(jìn)入更加精準(zhǔn)、高效的3.0時代?!倍〔┦繌?qiáng)調(diào),“未來ILT進(jìn)一步完善方向包括:第一,充分利用算力發(fā)展的紅利,充分挖掘釋放計算潛能;第二,聯(lián)合硬件廠商針對ILT實現(xiàn)定制化加速;第三,探索更為高效的算法,提升優(yōu)化收斂速度和掩膜結(jié)果質(zhì)量?!?/p>
結(jié)語
經(jīng)過20多年的發(fā)展,ILT技術(shù)終于迎來了大規(guī)模量產(chǎn)的轉(zhuǎn)折點,這得益于人工智能技術(shù)的興起和關(guān)鍵算力水平的顯著提升。這些進(jìn)步使得ILT技術(shù)在全芯片應(yīng)用中的部署變得切實可行,為未來半導(dǎo)體工藝的持續(xù)進(jìn)步提供了關(guān)鍵動力。
面對國際市場的壟斷和出口限制,以及國內(nèi)在起步時間、資金投入和技術(shù)積累方面的不足,國內(nèi)計算光刻技術(shù),特別是ILT技術(shù)的自主研發(fā)尤為迫切。作為國內(nèi)計算光刻技術(shù)的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者,東方晶源在ILT領(lǐng)域的最新突破,為國內(nèi)先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝的快速發(fā)展注入了新的動力。在計算光刻3.0時代,東方晶源的技術(shù)將成為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈自主可控和自立自強(qiáng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。