基于有限状态机模型的光刻版图自动布局系统

　　摘要：采用有限状态机模型设计了集成电路光刻版上各个图形布局的自动系统。将布局的各个阶段定义为不同的状态，布局规则定义为触发条件，组成一个有限状态机。基于此模型的计算机自动布局系统能自动完成图形在光刻版上的布局，充分利用硅圆片面积并给出布局。
　　关键词：有限状态机；光刻版；电子设计自动化；集成电路
　　中图分类号： TP391.7;TN305.7 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2003)10-0024-03
　　1引言
　　在集成电路的生产中，光刻是非常重要和关键的步骤。一般一个集成电路芯片的生产需要经过多次光刻。目前的大规模集成电路生产中，广泛使用６英寸（150mm）和８英寸（200mm）的硅圆片，也有的使用了12英寸(300mm)的硅圆片，而特征线宽则越来越小，从微米级（1~3mm）到目前的超深亚微米（小于0.25 mm），目前90nm（0.09mm）的器件也已经开始了批量生产 。这其中一个重要的推动力便是随着单个芯片的规模越来越大，芯片面积并没有随着显著增长，从而成本也没有上升到不
　　能接受的程度。
　　在集成电路生产中提高产量降低单位芯片成本的有效方法之一是尽量地利用硅片面积。由于测量、控制、对准等各种标记图形必须和集成电路芯片主图形同时参与工艺处理，光刻版上图形的布局便极为关键和重要。
　　在光刻版上，芯片的布局方式直接影响到终一片硅圆片能制成多少个芯片。同时由于光刻工艺本身需要一些控制，如曝光量，需要把相应的控制图形也考虑到布局中去。另外由于存在多次光刻，每次光刻的位置必须对准，相应的控制图形也必须布局在光刻版上。其他的测量图形，如测量特征线宽的图形也必须在光刻版图上占有一定位置的。分割芯片的划片槽也有一定的宽度要求。
　　目前的光刻版布局是在EDA软件基础上，由数据处理工程师进行图形布局。常用的软件有Numerical Technologies 公司的CATS软件。另外CADENCE 公司的Virtuoso 软件也可以进行类似工作。但这些软件只提供了数据处理功能，具体的布局仍然依赖于工程师的知识和经验。
　　2光刻版图形布局
　　图1是一个已经完成了布局的用于UltraTech光刻机的1倍光刻版图示意图。
　　图中横向划片槽的宽度是200mm，纵向划片槽的宽度是100mm。①是对准标记，呈对称地左右各一个，②是游标，也是呈对称地左右各一个，它们都放在个横向的划片槽里。③是测试键，由于它的高度尺寸大于200 mm，不能放入划片槽，所以去掉了两个主芯片来放置它，对称地左右各一个共占用了4个主芯片。④是关键尺寸测量图形， 总共放置3列，占据7行横向划片槽。⑤是主芯片图形，8行16列，共124个。
　　对于其他系列光刻机所用的光刻版，如Nikon, ASM, Cannon等，情形也是类似的。一般尽量将各种控制、测量、对准等图形放在划片槽中。
　　在进行芯片布局时，目前的处理流程是，在 X方向和Y方向重复放置芯片的主图形，每行/列芯片之间为划片槽. 其他用于控制测量，对准等的图形则尽量放置在划片槽的位置，除非划片槽的位置太小，则需要占用芯片主图形的位置来放。这样终生产出来的芯片总数就将减少，带来的则是成本的上升。另外由于工艺的要求，有些图形的放置必须遵循工艺规则。
　　总结起来，集成电路光刻版图布局的要求为：放置芯片主图形，使终放置的芯片尽可能地多；放置控制测量和对准的图形，尽量不占用芯片主图形的位置；满足工艺规则。
　　目前的处理方式是工程师按照工艺规则和自己积累的经验进行布局。例如，根据要放置的控制测量和对准图形，芯片主图形和划片槽的要求来决定 X和Y方向芯片主图形的放置以及是否需要占用主图形的位置来放置控制测量和对准图形。控制测量和对准图形的具体位置则在满足工艺规则前题下可以由工程师自己决定。
　　可以看出目前基于人工处理的布局有以下几个特点：规则库是须可扩充的，工艺规则随不同工艺而有差别；布局结果与工程师的经验有关；布局结果不具有重复性，不同工程师的布局结果不同，甚至同一工程师对同一光刻版每次布局的结果也不相同。
　　3有限状态机仿真模型
　　从以上的介绍可以知道，基本上可以将布局的过程归纳为以下几个步骤：芯片主图形X方向的排列，在排列时需要考虑划片槽的宽度及边缘的 Overlay；芯片主图形Y方向的排列，在排列时需要考虑划片槽的宽度及边缘的Overlay；控制、测量和对准图形的插入。在插入时尽量放置在划片槽的地方，若划片槽的空间不够，则去掉一个主图形来防止这些图形；其他图形的插入。这些图形可以插入在整个图形区域之外因为他们不会被光刻到硅圆片上。
　　由于在这些步骤中的处理是有规律可寻的，所以也可以认为当布局过程到达该步骤时是进入一种处理状态，只是触发的条件有所不同以及在这些状态中对工艺规则的考虑也不尽相同。
　　基于此，可以考虑采用有限状态机模型来仿真布局过程。有限状态机模型是一个在建模时经常用到的模型 [1]。为了便于描述，再将没有布局时的状态和已经完成布局的状态考虑进去。
　　这样就有6个状态组成了状态集合：
　　S_0:开始状态,此时布局还没有开始；
　　S_1: 按X方向排列芯片主图形，若芯片主图形的的宽度已经足够宽以至在X方向只能放一个主图形，则不需要进行X方向的排列；
　　S-2: 按Y方向排列芯片主图形，若芯片主图形的的高度已经足够高以至在 Y方向只能放一个主图形,则不需要进行Y方向的排列；
　　S_3: 控制、测量和对准图形的插入，这些图形尽量放置在划片槽的位置，只有当其尺寸比划片槽大时，才考虑去掉一个主图形来放置这些超大的图形；
　　S_4: 其他图形（不会光刻到硅圆片上的图形）的放置，指那些终不会光刻到硅圆片上的图形， 例如光刻版本身的Title, Barcode等，若没有这些图形，则该步骤是不需要的；
　　S_5:完成状态，即布局已经完成。
　　而触发条件归纳起来有如下几个，组成触发条件集合：
　　T_x:主图形的宽度, 其大小将决定是否需要进行X方向的排列；
　　T_y:主图形的高度, 其大小将决定是否需要进行Y-方向的排列；
　　T_cma:控制、测量和对准图形的尺寸，其大小将决定是否需要进行去掉一个主图形来放置他们；
　　T_o:其他不会光刻到硅圆片上的图形，若有，则将他们放置在阵列的外面。
　　用语言描述整个处理过程为：
　　STATEMACHINE PATTERN_PLACEMENT
　　Q={ S_0, S_1, S_2, S_3, S_4, S_5};
　　I={ T_x，T_y，T_cma, T_o};
　　WHEN S_0
　　IF {T_x=1} THEN Q=S_1 ELSE Q=S_2
　　WHEN S_1:
　　IF {T_y=1} THEN Q=S_2 ELSE Q=S_3
　　WHEN S_2:
　　IF {T_cma=1} THEN Q=S_3 ELSE Q=S_4
　　WHEN S_3:
　　IF {T_o=1} THEN Q=S_4 ELSE Q=S_5
　　WHEN S_4:
　　Q=S_5
　　DEFAULT:
　　Q=S_5
　　END
　　4流程图
　　按照以上的描述, 该有限状态机的流程图。
　　5 软件实现
　　根据所建立的仿真模型编制计算机程序。根据光刻版工作单，将条件输入程序中，得到的布局结果令人满意。与人工布局相比，不但提高了布局速度，而且减少了差错，并且能输出布局结果。尤其是在各个采用软件自动布局有如下优势：加速集成电路芯片的面市周期；提高了集成电路芯片的生产效率；可重复性和可记录性满足了现代质量体系的要求；减少了人力资源的投入和大大降低了人为差错。
　　6结束语
　　建立集成电路光刻版版图布局处理过程的模型并采用计算机软件来仿真这一过程，实现布局过程的自动化，将大大提高处理速度和准确度。采用有限状态机模型来仿真这一布局过程是可行的并且非常合适。该系统对于集成电路设计企业，光刻版制造企业和集成电路制造企业三方都有帮助。