化学机械研磨（CMP）对电特性影响的分析与优化

论文摘要

集成电路进入纳米时代,集成电路设计技术和制造技术联系紧密。在芯片制造和良率逐渐触及物理瓶颈的今天,集成电路制造技术在不断挑战人类工程技术的极限,并产生了一个新的领域---可制造性设计技术。可制造性技术的两个关键问题是光刻和化学机械研磨。在考虑这些变化因素下,通过增添设计流程,优化算法和版图结构,使得芯片可制造性和成品率提高。随着现代超大规模集成电路（VLSI）的不断发展,互连线对时序的影响也越来越大。在SoC（片上系统）设计中,对性能和功耗的要求也在不断的增加。但在CMP过程中,金属密度的不均匀导致金属厚度的起伏,产生碟形,磨损。在进行多金属层芯片的制造过程中,密度不均匀导致的不平坦化对第一、第二金属层的影响并不显著,但由于不平坦化效应的叠加,在越来越高的金属层,就可能出现短路、断路等不希望出现的结果,从而影响整个电路的运行。因此需要进行冗余金属填充来调节金属的密度,使其达到一致,以此来改善金属表面的平坦性,但另一方面,冗余金属的填充会增加互连电容,互连电阻,信号延迟以及功耗的增加等一系列问题。研究冗余金属填充的目的就是为了降低这些寄生参数,使其对电路的性能影响最小,在实现平坦化的同时使电路的性能不受较大影响,从而可以进行多层金属的制造,这样可以大幅降低生产的成本,极大的提高芯片厂的成品率和经济效益。本文关注的是冗余金属对互连线之间耦合电容的影响,重点研究起主要作用的是冗余金属的形状,面积,摆放位置,还是其与互连线的对应边长。本文从对互连线影响和改善平坦化方面对冗余金属进行研究,提出一系列的填充策略,降低冗余金属带来的耦合电容的增加,以达到平整度和电性能的最优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 集成电路发展概况
• 1.2 半导体芯片设计技术的发展
• 1.2.1 半导体芯片制造技术的发展
• 1.2.2 集成电路设计技术
• 1.3 集成电路的可制造性设计问题
• 1.3.1 光刻技术
• 1.3.2 电镀铜 #h
• 1.3.3 化学机械研磨
• 第二章 CMP工艺介绍及现存问题
• 2.1 CMP简介
• 2.2 CMP机台设备介绍
• 2.3 CMP化学机械抛光主要机理
• 2.4 CMP工艺目前所存在的问题
• 2.4.1 不平坦性的产生
• 2.4.2 铜CMP工艺的步骤
• 2.4.3 Dishing和Erosion对互连线电阻影响
• 2.4.4 Dishing和Erosion对互连线电容的影响
• 2.5 CMP技术在多层互连中改进
• 2.6 CMP模型和模拟软件
• 2.6.1 CMP模拟软件进展
• 2.6.2 CCP CMP软件简介
• 第三章 基于图形的平坦化设计
• 3.1 金属图形对表面形状的影响
• 3.2 本章主要研究实验内容
• 3.3 影响表面形貌平整度的因素及叠层效应
• 3.3.1 影响表面形貌平整度的因素
• 3.3.2 叠层效应
• 3.4 65nm工艺下,金属密度、线宽、线间距对CMP抛光后表面形貌的实验分析
• 3.4.1 相同线宽与密度影响
• 3.4.2 交错线宽和密度的影响
• 3.5 冗余填充对表面平坦性的优化
• 3.5.1 金属填充
• 3.5.1.1 冗余金属改善平坦性
• 3.5.1.2 有效影响区域
• 3.5.1.3 特殊图形冗余金属对集成电路平整度的优化
• 3.5.2 电介质填充
• 3.5.2.1 电介质冗余填充原理
• 3.6 针对65nm工艺,CMP Hotspot查找及平坦性的优化的实例分析
• 3.7 平坦性优化设计总结
• 第四章 冗余金属填充对电特性的影响
• 4.1 浮空填充和接地填充
• 4.2 冗余金属改善电压降
• 4.3 普通图形冗余金属的电特性研究
• 4.3.1 互连线和金属冗余的距离
• 4.3.2 普通图形冗余金属宽长比
• 4.3.3 普通图形冗余金属数目
• 4.3.4 互连线宽度
• 4.3.5 冗余金属填充方式
• 4.3.6 方块状和长方形冗余金属填充方式
• 4.3.7 冗余金属填充中行数和列数
• 4.3.8 冗余金属填充中摆放方式
• 4.4 特殊图形冗余金属的耦合电容特性
• 4.5 冗余金属填充优化实例
• 4.6 冗余填充规则总结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢