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在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，計(jì)算光刻技術(shù)是推動(dòng)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(jì)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(dòng)計(jì)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(shí)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(jì)算光刻進(jìn)入3.0時(shí)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(shí)現(xiàn)芯片制造的關(guān)鍵技術(shù)。在摩爾定律的推動(dòng)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(shí)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(jì)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(duì)光刻系統(tǒng)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立或綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過計(jì)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(jì)算光刻技術(shù)的發(fā)展對(duì)于實(shí)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(diǎn)以后，就需要采用計(jì)算光刻來提升光刻系統(tǒng)的成像性能。從誕生至今，計(jì)算光刻的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。首先是基于規(guī)則的OPC（光學(xué)鄰近校正），早期的計(jì)算光刻技術(shù)依賴于經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則，通過預(yù)先設(shè)定的規(guī)則庫對(duì)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(jì)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(shí)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(duì)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(shí)、復(fù)雜； 第二，ILT基于實(shí)際的物理過程模型并以制造良率為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，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?。
不過他也指出，這項(xiàng)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(jì)算光刻所需計(jì)算量龐大，無法被量產(chǎn)采用。二是傳統(tǒng)計(jì)算光刻方法在28nm及以上工藝節(jié)點(diǎn)，相對(duì)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(jì)算過程比傳統(tǒng)OPC更為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)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(jì)算所需的時(shí)間也越來越長，對(duì)于芯片制造商是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。”丁博士表示，“同時(shí)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(duì)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(huì)對(duì)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(gè)現(xiàn)實(shí)問題?！?/p>
顯然，隨著人工智能、高性能計(jì)算芯片等驅(qū)動(dòng)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(duì)EUV光刻在2nm工藝制程時(shí)必須引入ILT達(dá)成一致共識(shí)，而國內(nèi)在尖端光刻設(shè)備受限的情況下，對(duì)ILT的迫切性更高，因此國內(nèi)ILT計(jì)算光刻時(shí)代將會(huì)提前到來。
突破技術(shù)難點(diǎn)，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(jì)算光刻環(huán)節(jié)，旗下PanGen?平臺(tái)已經(jīng)形成八個(gè)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(jì)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(chǔ)芯片制造廠商驗(yàn)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(diǎn)。
在計(jì)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(shí)現(xiàn)了全芯片級(jí)別的基于ILT技術(shù)的掩膜優(yōu)化。面對(duì)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(chǔ)、邏輯晶圓廠商加緊驗(yàn)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(jì)，適應(yīng)不同客戶及應(yīng)用場景需求。
第二，基于獨(dú)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(shí)對(duì)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(jì)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(shí)。與此同時(shí)，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(jì)算效率，實(shí)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(jì)算結(jié)果相似度高達(dá)95%，同時(shí)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(yàn)證預(yù)計(jì)將于今年底完成，從目前已獲得的部分驗(yàn)證結(jié)果來看，對(duì)于客戶關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)，ILT技術(shù)在成熟制程中也可實(shí)現(xiàn)工藝開發(fā)流程的加速，降低對(duì)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(yàn)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(jì)算的發(fā)展推動(dòng)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(shí)，結(jié)合云計(jì)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(jì)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(diǎn)，當(dāng)然更先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)將會(huì)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(huì)使ILT的計(jì)算量劇增；其次對(duì)掩膜復(fù)雜度要求會(huì)進(jìn)一步提高，曲線圖形將會(huì)廣泛采用，需要更高效的曲線掩膜存儲(chǔ)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(jì)算光刻技術(shù)的變革，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)進(jìn)入更加精準(zhǔn)、高效的3.0時(shí)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(jì)算潛能；第二，聯(lián)合硬件廠商針對(duì)ILT實(shí)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(diǎn)，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(shí)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(dòng)力。
面對(duì)國際市場的壟斷和出口限制，以及國內(nèi)在起步時(shí)間、資金投入和技術(shù)積累方面的不足，國內(nèi)計(jì)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(jì)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(dòng)力。在計(jì)算光刻3.0時(shí)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。
