Software & Systems

Тенденции к миниатюризации изделий электронной техники обусловили необходимость поиска новых подходов к технологии производства интегральных схем. Однако с переходом к проектным нормам глубокого субмикрона (130 нм и менее) в конструировании интегральных схем возникли принципиально новые проблемы. Чем меньше критические размеры их элементов, тем ближе область, в которой начинают сказываться фундаментальные физические ограничения КМОП-технологии.

Известно, что при проектировании и производстве интегральных схем основную роль играют процессы литографии. При достижении физических пределов процесса фотолитографии, связанных с негативным влиянием эффекта взаимной дифракции, затраты на совершенствование производства интегральных схем экспоненциально возрастают. Поэтому их производители всеми способами пытаются расширить физические пределы разрешающей способности проекционной оптической литографии с помощью таких инноваций, как, например, фазосдвигающие фотошаблоны и внеосевое освещение. Среди множества различных подходов в документах ITRS [1] выделяются два основных направления дальнейшего развития литографии: литография жестким ультрафиолетом (EUV) и методики двойного экспонирования (double exposure), к которым и относится экспонирование с двойным фотошаблоном.

Технология двойного фотошаблона является одним из возможных вариантов развития электроники по пути дальнейшей миниатюризации. Основная идея этого подхода заключается в последовательном применении двух шаблонов во время прожига фоторезиста для получения рисунка с размерами элементов, которых невозможно достичь с помощью обычных методов оптической литографии. Однако процедура декомпозиции топологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) на две подчасти не является тривиальной и требует оценки всех возможных альтернативных решений с учетом технологических ограничений. Выполнить это вручную весьма сложно, поэтому переход к проектированию по технологии двойного фотошаблона требует широкого использования САПР. На рынке программных продуктов только начинает появляться ПО для решения задачи автоматизации проектирования по технологии двойного фотошаблона. В [1] отмечается, что задача разработки такого ПО является одной из важнейших проблем дальнейшего развития литографии.

Общие сведения о программе TPLConverter

В работе [2] предложены алгоритмы преодоления принципиальных ограничений оптической фотолитографии для разрешения противоречия между негативным влиянием эффекта взаимной дифракции и необходимостью уменьшения проектных норм технологии. В основе выбранного математического аппарата для описания процесса подготовки топологии субмикронных СБИС для последующего воспроизводства по технологии двойного фотошаблона лежит понятие графа ограничений [3]. Были проанализированы известные методы его построения, и на основе сравнительного анализа выбран как наиболее эффективный хорошо известный метод сканирующей линии [3].

Для учета особенностей технологии двойного фотошаблона в [2] предложено использовать граф противоречий, хранящий информацию об имеющихся противоречиях в топологии СБИС, вызванных негативным влиянием эффекта взаимной дифракции. В той же работе описан алгоритм трансформации топологии СБИС для технологии двойного фотошаблона.

На основе предложенных подходов разработана программа TPLConverter. В текущей версии 1.2 данная программа позволяет решать следующие задачи:

·     ввод заданной топологии СБИС в формате GDSII;

·     задание параметров технологии двойного фотошаблона;

·     оценка заданной топологии субмикронной СБИС на возможность воспроизводства по технологии двойного фотошаблона;

·     модификация топологии СБИС в случае удовлетворения ограничений технологии двойного фотошаблона при последующем ее воспроизводстве по данной технологии;

·     вывод полученных результатов в форма- те GDSII.

С целью обеспечения применения ПО TPLConverter для различных технологий была предусмотрена возможность задания пользователем технологических ограничений.

Технологическое ограничение представляет собой противоречие, выражающееся в задании определенных ограничений на взаимное расположение геометрических объектов. Рядом компаний были предложены различные форматы формализованного описания технологических ограничений. Они апробированы в промышленном применении и доказали свою эффективность. Для возможности интеграции с САПР ведущих мировых производителей выбран формат, используемый в САПР Calibre фирмы Mentor Graphics [4].

В данном формате файл ограничений представляет собой последовательность записей, которые хранят технологические ограничения в формализованном виде. Каждая строка имеет вид conflict=RET nmdpc ca FILE mypitches MAP conflict, где RET задает название утилиты обработчика; FILE – имя файла; MAP является обязательным ключевым словом, задающим один из перечисляемых системных типов данных.

На основе заданных технологических ограничений формируется граф ограничений, используемый при дальнейшей трансформации топологии СБИС.

Необходимо отметить, что под параметрами технологии двойного фотошаблона, задаваемыми пользователем, понимаются физические пара- метры процесса производства СБИС, которые отражают интегральные оптические свойства используемой проекционной системы, а также вытекающие из этих свойств ограничения воспро­изводимости топологии, выражаемые в предельно допустимой близости границ геометрических объектов топологии СБИС.

Оценка и трансформация топологии СБИС для технологии двойного фотошаблона выполняются на основе подходов, описанных в [2].

Выбор формата ввода и вывода информации о топологии СБИС GDSII обусловлен тем, что фактически он является промышленным стандартом описания топологии СБИС и используется для хранения информации об их послойной структуре. Файл этого стандарта двоичный, с описанием простейших геометрических форм, текста, меток и другой информации. Однако указанный формат сложен для автоматизации трансформации топологии СБИС, в связи с чем в программе TPLConverter использован внутренний формат описания топологии СБИС.

При создании ПО также были учтены современные тенденции развития САПР СБИС, отражающиеся в разработке все большего числа кроссплатформенных программных продуктов. Программа TPLConverter является кроссплатформенной и может использоваться в ОС Windows и *Unix. Это позволяет обеспечить совместимость разработанного ПО с существующими САПР СБИС и возможность использования ПО TPLCon­verter в интегрированных маршрутах проектирования СБИС.

Особенности реализации программы TPLConverter

Программа TPLConverter включает 4 основные подсистемы (рис. 1).

Управляющая подсистема предназначена для управления ходом трансформации топологии СБИС, а модуль ввода информации – для задания информации пользователем. В этом модуле проверяется соответствие входного файла поддерживаемому формату GDSII. Там же производится синтаксический разбор исходного файла топологии СБИС в формате GDSII, что позволяет распределять отдельные геометрические объекты топологии СБИС по соответствующим структурам данных. В этом же модуле есть функции обработки заданных входных параметров технологии двойного фотошаблона.

Модуль обработки информации включает формирование графа ограничений и графа противоречий, проверку графа противоречий на двухцветность, а также трансформацию топологии СБИС для технологии двойного фотошаблона. При разделении учитываются параметры технологии двойного шаблона, заданные пользователем.

Модуль вывода информации отвечает за вывод результатов: модифицированной топологии СБИС в формате GDSII для технологии двойного фотошаблона, а также вспомогательной информации.

ПО TPLConverter разрабатывалось по спиральной модели. На первом этапе были сформулированы требования к функциональному составу разрабатываемого ПО, затем в результате структурно-функциональной декомпозиции задачи определены атомарные операции, которые необходимо выполнять, а также перекрестные зависимости между задачами для сохранения ссылочной целостности решения. Эти операции повторялись итеративно для достижения большей гибкости при разработке программы.

При детализации описания жизненного цикла использована методология RUP (Rational Unified Process) [5]. После структурно-функциональной декомпозиции получены шаблоны классов ПО, выполнено их наполнение кодом, реализующим указанные выше алгоритмы.

Разработка ПО велась под управлением системы контроля версий, что позволило обеспечить одновременную работу группы программистов.

В качестве лингвистического обеспечения выбран язык С++. Это объясняется простотой обработки сложных структур данных, хранящих информацию о топологии СБИС.

При разработке были использованы библиотеки GDSIILib и GraphViz.

Библиотека GDSIILib содержит основные функции для доступа к файлу топологии формата GDSII. Библиотека GraphViz является разработанным специалистами лаборатории AT&T пакетом утилит по автоматической визуализации графов, заданных в виде описания на языке dot. Пакет распространяется с открытыми исходными файлами по лицензии CPL (Common Public License) и работает на многих операционных системах, включая GNU/Linux, Mac OS, Unix-подобные, Microsoft Windows. Эта библиотека широко используется при ПО для визуализации структурированных данных.

Диаграмма компонентов ПО TPLConverter в нотациях языка UML показана на рисунке 2, список компонентов с кратким описанием приведен в таблице.

Компоненты программы TPLConverter

Особенности применения программы TPLConverter

Программа TPLConverter может использоваться на персональном компьютере типа IBM PC. Для ее работы необходимы процессор Pentium 4 3.0 ГГц, оперативная память 2 Гб, жесткий диск с 1 Гб свободного пространства, DVD-RW-диско­вод.

Для работы в диалоговом режиме требуются цветной графический монитор, клавиатура, манипулятор типа мышь.

На ЭВМ должно быть установлено следующее ПО: ОС Linux Debian или ее аналоги либо ОС не ниже Windows XP. Необходимо наличие компилятора gcc, библиотек GDSIILib и GraphViz.

Запуск программы может выполняться из командной строки Unix-shell или из командной строки эмулятора терминала Windows.

Для апробации разработанного ПО была выполнена трансформация топологии 8-битного дешифратора. На рисунке 3а приведена исходная топология 8-битного дешифратора (слой поликремния). Однако выход годных интегральных схем был очень низок из-за негативного влияния эффекта взаимной дифракции.

С использованием разработанной программы TPLConverter исходная топология модифицирована таким образом, чтобы ее можно было воспроизвести по технологии двойного фотошаблона. На рисунке 3б приведены результаты работы программы TPLConverter для слоя поликремния топологии 8-битного дешифратора.

В заключение отметим, что разработанное ПО TPLConverter может найти широкое применение при проектировании топологии субмикронных СБИС для технологии двойного фотошаблона. Получаемое на выходе описание топологии СБИС в формате GDSII пригодно для последующего воспроизводства СБИС по технологии двойного фотошаблона. Применение предложенных подходов позволяет автоматизировать решение задачи по преодолению фундаментального противоречия, связанного с эффектом оптической близости при производстве субмикронных СБИС.

Разработанное ПО не требует значительных вычислительных ресурсов и может использоваться в работе дизайн-центров и в учебном процессе.

Программа TPLConverter найдет применение как в виде отдельного полнофункционального приложения, так и в составе интегрированных маршрутов проектирования СБИС.

Дальнейшее развитие системы идет по пути совершенствования используемых структур обработки топологической информации и направлено на расширение функциональных возможностей разработанного ПО.

Литература

1.  URL: http://www.itrs.net (дата обращения: 10.11.2010).

2.  Зинченко Л.А., Резчикова Е.В., Аверьянихин А.Е. Алгоритмы трансформации топологии субмикронных СБИС // Вест. МГТУ им. Н.Э. Баумана. № 1. 2011.

3.  Shervani N. Algorithms for VLSI physical design automation // Kluwer Academic Publishes, 1995. 538 p.

4.  URL: http://www.mentor.com/ (дата обращения: 10.11.2010).

5.  URL: http://www-01.ibm.com/software/awdtools/rup/ (дата обращения: 10.11.2010).