专利名称：一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造技术领域，具体设计一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法。
背景技术：
随着集成电路制造技术的不断进步，芯片集成度的不断提高，后道互连(back-endinterconnect)普遍采用 立体化和多层化布线。同时，铜互连线因其较低的电阻率和更好的抗迁移性，比铝线更有利于提高器件密度，提高时钟频率以及降低功耗和成本，因而成为集成电路制造的主流互连技术。大马士革(Damascene)工艺作为实现多层铜金属互连的必要技术，包括绝缘介质层淀积；连线槽和通孔刻蚀；防扩散金属层以及铜籽晶层的淀积；铜的电锻(Electrochemical Plating, ECP)工艺；铜的化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing, CMP)等一系列工艺过程。其中CMP作为唯一能实现芯片表面全局平坦化的工艺，是实现铜互连的关键技术。但是化学机械抛光后(Post-CMP)的表面形貌、铜连线和绝缘介质层的厚度存在与版形非常相关的变化(variation)。如图I所示Post-CMP后，一些区域，如宽线或图形密集区(high density area)，形成的碟形凹陷(碟形凹陷)和侵蚀(侵蚀)现象，是影响Post-CMP的平坦性的严重缺陷。ECP后的表面形貌、CMP的研磨特性、芯片表面材质等诸多因素都会影响Post-CMP的形貌。其中ECP形貌和CMP研磨特性都直接受金属线的面积密度、线宽、间距等图形特性影响，导致Post-CMP的碟形凹陷和侵蚀均显示很强的图形相关性。因为碟形凹陷和侵蚀缺陷，互连线横截面积会减少，电阻值增大。研究表明，在不同间距和线宽情况下，碟形凹陷对互连线电阻的影响在28. 7%到31. 7%之间，而且随着线宽增加对电阻的影响也变大。此外，如图2所示，后层金属(如图中所示的金属2)的post-CMP形貌会因前层金属层(如图中所示的金属I)的碟形凹陷和侵蚀而变得更加不平坦，形成所谓叠层效应。这种效应会随着金属层数增加而更加恶化，造成工艺和集成上难以克服的困难，并影响产品的良率和可靠性。现有技术的发展使得可制造性设计技术(Design For Manufacturability, DFM)称为近年来提出的一种针对提高芯片生产良率的先进设计技术，并已经被多款自动化设计软件所支持。该技术通过将制造工艺中可能出现的各种效应和可变性问题提前反馈给设计者，设计者在设计早期预估到工艺可能对电路产生的影响，并以此对版图设计进行优化修改，最终使芯片的生产良率满足预计要求。针对上文提到的铜的化学机械抛光技术(Cu-CMP)的工艺缺陷，目前业界采用的DFM优化方法通常是在布线设计时在图形空白区域填入冗余金属图形(dummy pattern),来调节版图的金属密度(pattern density),使其在各区域尽量一致，以此改善Cu-CMP后金属表面的平坦性。现有的用于冗余金属图形填充的方法大概可以归纳为两类基于规则的填充方法(rule-based dummy metal fill)和基于模型的填充方法(model-based dummymetal fill)。基于规则的冗余金属填充方法将版图分为一个个特定尺寸的独立窗口，对密度太小的窗口填充冗余金属，并规定每一个窗口内的金属密度必须在规定的范围内。这样最终在版图空白区域重复填充预先设计的固定的冗余金属图形，使得每个窗口和整体的金属密度达到设计规则的要求。这种填充方法的优点是方法简单、运行时间短及容易实施，版图设计者只需要遵守一些很简单的规则；该方法的缺点是虽然提高了整体金属密度，却忽略一些重要的关键因素，如线宽对化学积雪抛光后平坦性的影响等，因而不能准确控制层间介质和金属的厚度变化。而且这种填充方法的目标是通过最大化金属密度来提高整体金属密度的均匀性，完全没有考虑大量的冗余金属图形会增加后道金属互连的耦合电容，带来信号迟延以及功耗增加等问题。基于模型的冗余金属填充方法通过建立Cu-CMP后的表面形貌模型来设计冗余金属填充的解决方案。这种方法不仅要考虑提高整体有效密度均匀性，还要考虑到金属尺寸和密度对化学机械抛光后表面形貌的影响，同时，还可根据工艺模型的仿真结果和对产品 的实际影响，采用使版图内最小密度差和最少冗余金属填入等设计规则。最小密度差的方法主要是为了使相邻窗口间密度差异最小，而最少填充量则是为了使填充窗口内的冗余金属最少，目的是为了减少由冗余金属图形引入导致的寄生电学效应。基于模型的冗余金属填充方法在纳米工艺节点下能取得更好的平坦效果，但是仿真模型参数的提取、复杂的填充算法，使其对事件和资源有较高的要求，对设计周期和成本有不可忽略的负面影响。无论是基于规则还是基于模型的冗余金属填充方法，都具有各自的不足之处。现代技术的发展需要一个快速有效的冗余金属图形插入技术，既能达到较好的平坦化效果，同时要避免使用过于复杂的算法，保证时间和资源的合理应用。
发明内容
针对目前冗余金属插入技术存在的上述问题，本发明提供一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法。一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法，包括含有图案化金属层表面的半导体晶元，所述半导体晶元包括信号线，所述信号线主要由图案化金属层形成，其中，包括以下步骤步骤1，将所述半导体晶元表面划分成互不重叠，面积为A的数个正方形窗口，每个窗口以Aij表不；步骤2，对所述每个正方形窗口进行逻辑运算，将所述窗口划分为需要插入冗余金属图形的待插入区，所述待插入区域以^表示，L为I到m的任意数；和不需要插入冗余金属图形的不插入区，所述不插入区以Bk表示，K为I到η的任意数，所述不插入区的局部图形密度以Pk表示；步骤3,确定每个正方形窗口所插入的冗余金属图形的金属密度,所述金属密度以P d,u表示，和每个正方形窗口所插入的冗余金属图形的线宽，所述线宽以Wd,u表示；步骤4，按照所述金属密度和线宽，以及预先设定的冗余金属图案和摆放方式，确定所述每个窗口插入的冗余金属图形；上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，确定所述插入的冗余金属图形的金属密度的步骤包括步骤a，计算每个窗口内所有所述不插入区的平均金属密度，所述平均金属密度以Pij表示，计算用公式为
K
Σ Pk * Βκ _9] Plj =-
ΣΒκ
I其中P ,j表示所述不插入区的平均金属密度；ΒΚ表示不同编号的所述不插入区；PK表示对应不插入区的金属密度； 步骤b，调整所述每个窗口的所述金属密度，使之与其相邻各个窗口的密度差值在预设允许密度波动范围内；最终确定每个窗口的金属密度，所述金属密度以pt,u表示；步骤C，计算所述每个窗口内需要插入的冗余金属图形的金属密度，所述金属密度以P d,u表示，计算用公式为
K
Pt,^a-Pij-Zb1Pd,U =-E---
ID1
i=l其中P d, 表示最终需要插入的冗余金属图形的金属密度；P t, u表示所述调整后的金属密度；P u表示所述不插入区的平均金属密度；A是所述每个正方形窗口的面积大小办表示不同编号的所述不插入区办表示不同编号的待插入区。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，确定所述插入的冗余金属图形线宽的步骤包括步骤a，确定所述每个窗口各金属线宽度的面积加权平均值，所述平均值称为等效线宽，所述等效线宽以Wij表示；步骤b，调整所述每个窗口的所述等效线宽，使之与其相邻各个窗口的等效线宽差值在预设允许线宽波动范围内；步骤C，将所述步骤b最终确定的等效线宽定义为所述每个窗口内需要插入的冗余金属图形的线宽，所述线宽以Wd,u表示。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，在插入所述冗余金属图形前，先判断所述每个窗口的所述每个待插入区是否与相邻窗口的所述待插入区相连，且相连区域的所述金属密度的差值和所述等效线宽的差值是否小于预设值；若上述区域相连且上述差值小于预设值，则将所述相连区域合并，以所述相连区域的平均金属密度和平均等效线宽定义该区域内需要插入的所述冗余金属图形的金属密度和线宽。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，所述步骤2中，对所述每个正方形窗口进行逻辑运算时，定义需要插入的冗余金属图形到所述信号线的最小距离为禁止距离，所述禁止距离以d表示，若所述空白区域宽度或所述信号线之间的距离小于禁止距离，则规定其不能插入冗余金属图形。
上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，所述预设的冗余金属图案为正方形，或长方形，或十字形，或T形或L形，或其他任何几何图案。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，所述冗余金属的摆放方式为均匀填充方式或错位填充方式，或其他任何冗余金属图形摆放方式。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，所述步骤b中，调整所述每个窗口的所述金属密度的具体方法为判断任一相邻窗口间的密度差值是否超过密度差预设值，若超过所述预设值，则以其中密度较小的窗口为中心，计算与其相邻的八个窗口的平均金属密度，并以此代替所述窗口的密度值，所述密度值以P t, 表示；迭代进行上述判断过程，直至所有相邻窗口间的密度差值都小于所述密度差预设值。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，所述步骤b中，调整所述每个窗口的所述等效线宽的具体方法为判断任一相邻窗口间的等效线宽差值是否超过线宽差预设值，若超过所述预设值，则以其中等效线宽较小的窗口为中心，计算与其相邻的八个窗口的平均等效线宽，并以此代替所述窗口的等效线宽值；迭代进行上述判断过程，直至所有相邻窗口间的等效线宽差值都小于所述线宽差预设值。上述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中，所述正方形窗口的大小在20um*20um到500um*500um之间；所述冗余金属到信号线的最小距离d的大小在O. Ium到IOOum之间。本发明的有益效果本发明公开的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，采用合理的金属密度和线宽，避免了基于规则的填充方法中填充密度最大化的缺点，并结合了基于模型的填充方法中考虑线宽和密度对铜的电镀工艺和化学机械抛光形貌的影响，可以达到较好的平坦化效果O
图I所不为化学机械抛光后表面样貌的不意图；图2所示为化学机械抛光后表面样貌叠层效应的示意图；图3所示为本发明一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法的流程示意图；图4所示为本发明一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法中半导体晶元划分的不意图；图5所示为本发明一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法中窗口划分的示意具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法，包括含有图案化金属层表面的半导体晶元，半导体晶元包括信号线，信号线主要由图案化金属层形成。如图3所示为该插入算法的流程描述，其中包括以下步骤
步骤1，将半导体晶元表面划分成如图4所示的互不重叠，面积为A的数个正方形窗口，每个窗口以Aij表不(m*n个Aij)；
步骤2，对每个正方形窗口进行逻辑运算，将窗口划分为如图5所示的两个部分需要插入冗余金属图形的待插入区，待插入区域以^表示，L为I到m的任意数；和不需要插入冗余金属图形的不插入区，不插入区以Bk表示，K为I到η的任意数，不插入区的局部图形密度以Pk表示；步骤3，确定每个正方形窗口所插入的冗余金属图形的金属密度，金属密度以Pd,u表示，和每个正方形窗口所插入的冗余金属图形的线宽，线宽以Wd,u表示；步骤4，按照金属密度和线宽，以及预先设定的冗余金属图案和摆放方式，确定每个窗口插入的冗余金属图形；用于铜互连冗余金属图形的插入算法中，确定插入的冗余金属图形的金属密度的
步骤包括步骤a，计算每个窗口内所有不插入区的平均金属密度(Pij),计算用公式为
K
Σ Ρκ *ΒκPlj =-
ΣΒκ
I其中P Jj表不不插入区的平均金属密度；ΒΚ表不不同编号的不插入区；P K表不对应不插入区的金属密度；步骤b，调整每个窗口的所述金属密度，使之与其相邻各个窗口的密度差值在预设允许密度波动范围内；最终确定每个窗口的金属密度，金属密度以Pt,u表示；步骤c,计算每个窗口内需要插入的冗余金属图形的金属密度,金属密度以P d, u表示，计算用公式为
K
Puj ^a-Pij0Zb1Pdlj =-E-
ZD1
i=l其中P d, 表示最终需要插入的冗余金属图形的金属密度；P t, 表示调整后的金属密度；P ij表不不插入区的平均金属密度；A是每个正方形窗口的面积大小！Bi表不不同编号的不插入区办表示不同编号的待插入区。用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中确定所述插入的冗余金属图形线宽的步骤包括步骤a，确定每个窗口各金属线宽度的面积加权平均值，平均值称为等效线宽，等效线宽以Wij表示；步骤b，调整每个窗口的等效线宽，使之与其相邻各个窗口的等效线宽差值在预设允许线宽波动范围内；步骤C，将步骤b最终确定的等效线宽定义为每个窗口内需要插入的冗余金属图形的线宽，线宽以Wd,u表示。用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其中在插入所述冗余金属图形前，先判断每个窗口的每个待插入区是否与相邻窗口的待插入区相连，且相连区域的金属密度的差值和等效线宽的差值是否小于预设值；若上述区域相连且上述差值小于预设值，则将相连区域合并，以相连区域的平均金属密度和平均等效线宽定义该区域内需要插入的冗余金属图形的金属密度和线宽。这样可以降低整个半导体晶元内冗余金属图形插入的复杂性。用于铜互连冗余金属图形的插入算法中的步骤2中，对每个正方形窗口进行逻辑运算时，定义需要插入的冗余金属图形到信号线的最小距离为禁止距离，禁止距离以d表示，若空白区域宽度或信号线之间的距离小于禁止距离，则规定其不能插入冗余金属图形。
用于铜互连冗余金属图形的插入算法中，预设的冗余金属图案为正方形，或长方形，或十字形，或T形或L形，或其他任何几何图案。用于铜互连冗余金属图形的插入算法中，冗余金属的摆放方式为均匀填充方式或错位填充方式，或其他任何冗余金属图形摆放方式。用于铜互连冗余金属图形的插入算法中，确定窗口金属密度的步骤b中，调整每个窗口的金属密度的具体方法为判断任一相邻窗口间的密度差值是否超过密度差预设值Δ P，若超过Λ P，则以其中密度较小的窗口为中心，计算与其相邻的八个窗口的平均金属密度，并以此代替该窗口的密度值，密度值以Ptlij表示；迭代进行上述判断过程，直至所有相邻窗口间的密度差值都小于密度差预设值。上述迭代计算不得超过特定次数，以避免不收敛引起的大计算量。用于铜互连冗余金属图形的插入算法中，确定窗口线宽的步骤b中，调整每个窗口的等效线宽的具体方法为判断任一相邻窗口间的等效线宽差值是否超过线宽差预设值AW，若超过Λ W，则以其中等效线宽较小的窗口为中心，计算与其相邻的八个窗口的平均等效线宽，并以此代替该窗口的等效线宽值；迭代进行上述判断过程，直至所有相邻窗口间的等效线宽差值都小于线宽差预设值。上述迭代计算不得超过特定次数，以避免不收敛引起的大计算量。用于铜互连冗余金属图形的插入算法中，正方形窗口的大小在20um*20um到500um*500um之间；冗余金属到信号线的最小距离d的大小在O. Ium到IOOum之间。以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法，包括含有图案化金属层表面的半导体晶元，所述半导体晶元包括信号线，所述信号线主要由图案化金属层形成，其特征在于，包括以下步骤 步骤1，将所述半导体晶元表面划分成互不重叠，面积为A的数个正方形窗口，每个窗口以Aij表示； 步骤2，对所述每个正方形窗口进行逻辑运算，将所述窗口划分为需要插入冗余金属图形的待插入区，所述待插入区域以^表示，L为I到m的任意数；和不需要插入冗余金属图形的不插入区，所述不插入区以Bk表示，K为I到η的任意数，所述不插入区的局部图形密度以P K表不； 步骤3，确定每个正方形窗口所插入的冗余金属图形的金属密度，所述金属密度以Pd,u表示，和每个正方形窗口所插入的冗余金属图形的线宽，所述线宽以Wd,u表示； 步骤4，按照所述金属密度和线宽，以及预先设定的冗余金属图案和摆放方式，确定所述每个窗口插入的冗余金属图形。
2.如权利要求I所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，确定所述插入的冗余金属图形的金属密度的步骤包括 步骤a，计算每个窗口内所有所述不插入区的平均金属密度，所述平均金属密度以P ,j表示，计算用公式为
3.如权利要求I所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，确定所述插入的冗余金属图形线宽的步骤包括步骤a，确定所述每个窗口各金属线宽度的面积加权平均值，所述平均值称为等效线宽，所述等效线宽以Wij表示； 步骤b，调整所述每个窗口的所述等效线宽，使之与其相邻各个窗口的等效线宽差值在预设允许线宽波动范围内； 步骤C，将所述步骤b最终确定的等效线宽定义为所述每个窗口内需要插入的冗余金属图形的线宽，所述线宽以Wd,u表示。
4.如权利要求I所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，在插入所述冗余金属图形前，先判断所述每个窗口的所述每个待插入区是否与相邻窗口的所述待插入区相连，且相连区域的所述金属密度的差值和所述等效线宽的差值是否小于预设值；若上述区域相连且上述差值小于预设值，则将所述相连区域合并，以所述相连区域的平均金属密度和平均等效线宽定义该区域内需要插入的所述冗余金属图形的金属密度和线宽。
5.如权利要求I所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，所述步骤2中，对所述每个正方形窗口进行逻辑运算时，定义需要插入的冗余金属图形到所述信号线的最小距离为禁止距离，所述禁止距离以d表示，若所述空白区域宽度或所述信号线之间的距离小于禁止距离，则规定其不能插入冗余金属图形。
6.如权利要求I所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，所述预设的冗余金属图案为正方形，或长方形，或十字形，或T形或L形。
7.如权利要求I所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，所述冗余金属的摆放方式为均匀填充方式或错位填充方式。
8.如权利要求2所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，所述步骤b中，调整所述每个窗口的所述金属密度的具体方法为判断任一相邻窗口间的密度差值是否超过密度差预设值，若超过所述预设值，则以其中密度较小的窗口为中心，计算与其相邻的八个窗口的平均金属密度，并以此代替所述窗口的密度值，所述密度值以P t, 表示；迭代进行上述判断过程，直至所有相邻窗口间的密度差值都小于所述密度差预设值。
9.如权利要求3所述的用于铜互连冗余金属图形的插入算法，其特征在于，所述步骤b中，调整所述每个窗口的所述等效线宽的具体方法为判断任一相邻窗口间的等效线宽差值是否超过线宽差预设值，若超过所述预设值，则以其中等效线宽较小的窗口为中心，计算与其相邻的八个窗口的平均等效线宽，并以此代替所述窗口的等效线宽值；迭代进行上述判断过程，直至所有相邻窗口间的等效线宽差值都小于所述线宽差预设值。
全文摘要
本发明公开了一种用于铜互连冗余金属图形的插入算法，包括将半导体晶元划分成互不重叠，面积为A的数个正方形窗口；对每个窗口进行逻辑运算，将窗口划分为①待插入区；②不插入区；确定每个窗口所插入的冗余金属图形的金属密度和线宽；按照金属密度和线宽，以及预先设定的冗余金属图案和摆放方式，确定窗口内插入的冗余金属图形。本发明的有益效果是采用合理的金属密度和线宽，避免了基于规则的填充方法中填充密度最大化的缺点，并结合了基于模型的填充方法中考虑线宽和密度对铜的电镀工艺和化学机械抛光后表面形貌的影响，可以达到较好的平坦化效果。
文档编号G06F17/50GK102663147SQ20121004916
公开日2012年9月12日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者张旭升, 方精训, 范永洁 申请人:上海华力微电子有限公司