一种三重曝光光刻工艺的版图图案分解方法
【专利摘要】本发明属半导体光刻工艺可制造性设计领域，具体涉及一种三重曝光光刻工艺的版图图案分解方法。先采用矩形扩展的方法构建冲突图；然后随机产生三着色初始解，每轮优化分别依次固定一种颜色，对剩余二种颜色的冲突子图利用双重曝光图案分配方法进行双着色优化，重复迭代优化过程，直到当前最优解若干次未发生更新；最后反复调用上述步骤多次并从中挑选最优的三着色结果作为输出。本发明采用已有的双重曝光图案分配方法，采用多次计算选其最优的策略，寻找全局最优解，达到为三重曝光光刻工艺分配版图图案的目的。
【专利说明】-种三重曝光光刻工艺的版图图案分解方法
【技术领域】
[0001] 本发明属半导体光刻工艺可制造性设计领域，具体涉及一种三重曝光光刻工艺的 版图图案分解方法，该方法中将密集的版图图案分配到三张不同的掩膜版上，能满足半导 体光刻工艺要求。
【背景技术】
[0002] 现有技术公开了光刻工艺是集成电路制造过程中的关键工艺之一。随着集成电路 特征尺寸不断缩小，版图图案密度不断增加，但光刻所用光源的波长并未显著减小，曝光解 析度并未显著提升，由此导致在同一掩膜版上，图案冲突（conflict)数量不断增加。所述 图案冲突定义为两个版图图案相隔距离小于某一特定值，这一特定值称为冲突距离。研究 显示，多重曝光光刻技术（MultiplePatterningLithography)是解决图案冲突的有效途 径之一。
[0003] 多重曝光光刻工艺是将版图图案分解到多张不同的掩膜版上，通过多次曝光和刻 蚀的迭代过程，最终形成完整的硅片图案。如何将GDSII设计版图图案分配到多张不同的 掩膜版上，使得在同一张掩膜版上的图案冲突最少，是多重曝光版图分配方法的关键；同 时，为了减少冲突数量，同一版图图案可能会被分割并分配到不同的掩膜版上，同一图案上 的分割点称为缝合点（stitch);实践显示，缝合点过多，会导致芯片成品率下降。
[0004] 在20/22纳米工艺技术节点中，双重曝光光刻工艺（DoublePatterning Lithography)已得到广泛应用。在双重曝光光刻工艺中，分配到两张掩膜版上的图案通常 使用曝光-刻蚀-曝光-刻蚀工艺（LithoEtch-Litho-Etch，LELE)或曝光-冻结-曝光-刻 蚀工艺（Litho-Freeze-Litho-Etch，LFLE)进行制造。但在14/16纳米工艺技术节点，随 着集成电路特征尺寸的进一步缩小，版图图案更加密集，很难将原始版图图案分解在两张 掩膜版上且不产生图案冲突，为此引入三重曝光光刻（TriplePatterningLithography, TPL)工艺。在三重曝光工艺中，通常使用曝光-刻蚀-曝光-刻蚀-曝光-刻蚀（Litho-E tch-Lith〇-Etch-Lith〇-Etch，LELELE)工艺进行生产，但是，如何将版图图案分配到三张不 同的掩膜版上并保证图案冲突数量最少，是在利用三重曝光光刻工艺生产之前，必须进行 的关键步骤之一。
[0005] 图1和图2是针对某一版图图案进行双重曝光和三重曝光图案分解的结果，其中 假设三个图案之间均存在冲突，图1为双重曝光分解后的结果，其中显示，分解后图案101 和图案102之间仍存在冲突；但在图2中，经过三重曝光版图分配后，三个图案被分配到三 张不同的掩膜版，冲突全部消除，满足制造要求，由此可见，三重曝光工艺更容易消除图案 冲突。
[0006] 多重曝光版图图案分配问题通常被转化为多着色问题。对版图图案着不同的颜 色，即意味着分配到不同的掩膜版。针对双重曝光，本领域已有较为成熟的双着色算法，具 体包括基于整数线性规划（IntegerLinearProgramming,ILP)方法[1，2]和图论算法等 [3-5]。如何解决三重曝光版图图案分配，乃是本领域研究人员所关注的问题，本申请的发 明人拟提供一种方法实现简单，容易实现高效率的解决三重曝光版图图案分配的方法。
[0007] 与本发明相关的现有技术有：
[0008] [1]A.Kahng,C.Park,X.Xu,andH.Yao,^Layoutdecompositionfordouble patterninglithography，"inComputer-AidedDesign，2008.ICCAD2008.IEEE/ACM InternationalConferenceon. 2008,pp.465-472.
[0009] [2]K.Yuan，J. _S.Yang，andD.Pan，"Doublepatterninglayoutdecomposition forsimultaneousconflictandstitchminimization，，'Computer-AidedDesignof IntegratedCircuitsandSystems,IEEETransactionon，vol.29，no.2，pp. 185-196， feb. 2010.
[0010] [3]J. _S.Yang，K.Lu，M.Cho，K.Yuan，andD.Pan，"Anewgraph-theoretic multi-objectivelayoutdecompositionframeworkfordoublepatterning lithography，，'inDesignAutomationConference(ASP-DAC)，201015thAsiaandSouth Pacific，jan. 2010,pp.637-644.
[0011] [4]YXuandC.Chu，''Amatchingbaseddecomposerfordoublepatterning lithography，，'inProceedingsofthel9thinternationalsymposiumonPhysical Design，2010,pp.121-126.
[0012] [5]W. _S.LukandH.Huang，"Fastandlosslessgraphdivisionmethod forlayoutdecompositionusingSPQR-tree，，'inComputer-AidedDesign(ICCAD)， 2010IEEE/ACMInternationalConferenceon,2010,pp.112-115.
[0013] [6]K.D.GourleyandD.M.Green，"Polygon-to-rectangleconversion algorithm. "IEEECOMP.GRAPHICS&APPLIC.，vol. 3,no. 1，pp. 31-32,1983.
[0014] [7]MichaelShamos，DanHoey，"Geometricintersectionproblems，，'in Proceedingsof17thAnnualSymposiumonFoundationsofComputerScience，1976， pp. 208-215.
[0015] [8]B.Yu，K.Yuan，B.Zhang，D.Ding，andD.Z.Pan，"Layoutdecom-positionfor triplepatterninglithography，，'inComputer-AidedDesign(ICCAD)，2011IEEE/ACM InternationalConferenceon, 2011,pp.1-8.
[0016] [9]S. _Y.Fang，Y. _W.Chang，andW. _Y.Chen，"Anovellayoutdecomposition algorithmfortriplepatterninglithography，，'inProceedingsofthe49thAnnual DesignAutomationConference,2012,pp.1185-1190.
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是提供一种三重曝光光刻工艺的版图图案分解方法，尤其涉及一种 反复迭代应用已有双重曝光图案分配方法进行三重曝光版图图案分配的方法。该方法中将 密集的版图图案分配到三张不同的掩膜版上，能满足半导体光刻工艺要求。
[0018] 本发明中，利用已有双重曝光图案分配方法，解决三重曝光版图图案分配的方法； 其基本技术方案是：首先，采用矩形扩展的方法构建冲突图；然后，对图的顶点进行均匀地 随机三着色以获得初始解；每轮优化分别依次固定一种颜色，对剩余二种颜色的冲突子图 利用双重曝光图案分配方法进行双着色优化，重复迭代优化过程，直到当前最优解若干次 未发生更新；最后，大量重复上述过程，并从中挑选最优的三着色结果作为输出。利用本发 明的方法，对顶点进行三着色，实现版图图案的掩膜版分配，进而通过三重曝光工艺，能实 现制造复杂高密度的版图图案的目的。
[0019] 具体的，本发明的一种三重曝光光刻工艺的版图图案分解方法，其特征是，利用双 重曝光图案分配方法，解决三重曝光版图图案分配的方法，其流程如图3.a所示：其中
[0020] (1)输入参数，包括：版图文件、冲突距离b、迭代次数ns、连续无更新次数t、冲突 边权重系数w。和缝合边权重系数ws;
[0021] (2)输出结果：版图图案的三着色结果，即版图图案的三重曝光分配方案；
[0022] 其包括步骤：
[0023] 步骤1:构建冲突图；
[0024] 步骤2:对冲突图顶点进行三着色优化：随机产生三着色初始解；每轮优化分别 依次固定一种颜色，对剩余二种颜色的冲突子图利用双重曝光图案分配方法进行双着色优 化，重复迭代优化过程，直到当前最优解若干次未发生更新；
[0025] 步骤3:反复调用步骤2达ns次，并从中挑选最优的三着色结果作为输出，结束。
[0026] 本发明的构建冲突图中，将复杂的版图图案分割成矩形，每个矩形均表示为冲突 图中的一个顶点，再依图案间距与冲突距离的关系构建冲突图的边；若两个矩形间距小于 最小冲突距离，即存在冲突，则这两个矩形对应的点之间存在一条正权重的冲突边，若两个 矩形互相接触，则这两个矩形对应的点之间存在一条负权重的边，即候选缝合点（stitch candidate)，然后通过对冲突图的顶点进行三着色，最小化连接相同颜色的点的边的权重 之和，本发明中为顶点着色的过程就是将对应的矩形分配到不同掩模版的过程。
[0027] 更具体的，本发明的步骤1中，通过下述子步骤构建冲突图：
[0028] 步骤1. 1:把多边形的版图图案切割成矩形。每一个矩形构成冲突图中的一个顶 点；图4给出了一个H型多边形被切割成5个矩形的具体例子；
[0029] 步骤1. 2:把矩形的每条边向外平移b/2,并延长每条边，构成扩展后的矩形，若两 个矩形扩展后存在重叠区域，则这两个矩形可能存在冲突；图5给出了矩形扩展后，存在重 叠区域的具体例子，其中，阴影部分为矩形扩展后的重叠区域；
[0030] 步骤1. 3:使用平面扫描（PlaneSwe印ing)方法，找到所有矩形扩展后有重叠区 域的矩形对；
[0031] 步骤1. 4:针对每一对具有重叠区域的矩形对，即冲突图中顶点\和判定是否 添加冲突边或候选缝合点边，判定算法如图3.b所示，具体步骤如下：
[0032] 步骤1. 4. 1:判断两个矩形扩展前是否相互接触；
[0033] 步骤1.4.2:若扩展前相互接触，则这两个矩形间存在一个候选缝合点 (stitchcandidate);即在冲突图中，顶点和之间添加一条候选缝合点边，边的权重为 负，其权重绝对值为：w(Vi，Vp=Ws*AOTOTlap，其中AOTOTlap是两个矩形间的重叠面积；例如，图 4中显示：矩形410,矩形420,矩形440和矩形450分别与矩形430之间存在一个候选缝合 占.
[0034] 步骤1. 4. 3:若扩展前不相互接触，则进一步判断它们是否属于同一多边形；
[0035] 步骤1. 4. 4:若属于同一多边形且属于某一个直线凸形（rectilinearlyconvex shape)，则判定这两个矩形不存在冲突，在冲突图中不添加任何边；
[0036] 步骤1.4.5 :若属于同一多边形，但不组成直线凸形否则，则存在冲突。在冲突 图中，顶点\和Vi之间添加一条冲突边，边的权重为正，其权重绝对值为：w(Vi，')= W氺A ,-
[0037] 例如，在图4中，410、420、430、440和450都属于同一多边形，且相互间距尚都小于 冲突距离，但是矩形对（410,450)属于矩形（410,430,450)构成的一个直线凸形，因此它们 之间不添加任何边。同样，矩形对（420,440)属于矩形（420,430,440)构成的另外一个直 线凸形，也不添加任何边。而矩形对（410,420)和矩形对（440, 450)之间属于同一多边形 但不组成直线凸形否则，因此它们之间添加冲突边；根据上述步骤，图6为最终冲突图的结 果，其中：实线为冲突边，虚线为候选缝合点边；
[0038] 设待着色的三种颜色集合为{〇)，(：1，02}，对冲突图6(￥4)的顶点进行三着色，得 至IJ着色后的冲突图为G{ai,a,C2}(V，E)和着色函数c(Vl)，其中c(Vl)为顶点Vl的颜色；
[0039] 优化目标为目标函数最小，其中目标函数为全部冲突与缝合点的权重之和，即：
【权利要求】
1. 一种三重曝光光刻工艺的版图图案分解方法，其特征在于，利用双重曝光图案分配 方法解决三重曝光版图图案分配的方法，包括： 输入参数：版图文件、冲突距离b、迭代次数ns、连续无更新次数t、冲突边权重系数w。 和缝合边权重系数ws ; 输出结果：版图图案的三着色结果，即版图图案的三重曝光分配方案； 所述方法其步骤为： 步骤1 :构建冲突图； 步骤2 :对冲突图顶点进行三着色优化：随机产生三着色初始解；每轮优化分别依次固 定一种颜色，对剩余二种颜色的冲突子图利用双重曝光图案分配方法进行双着色优化，重 复迭代优化过程，直到当前最优解若干次未发生更新； 步骤3 :反复调用步骤2达ns次，并从中挑选最优的三着色结果作为输出，结束。
2. 按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，构建冲突图的步骤包括子 步骤： 步骤1. 1 :把多边形的版图图案切割成矩形，每一个矩形构成冲突图中的一个顶点； 步骤1. 2 :把矩形的每条边向外平移b/2,并延长每条边，构成扩展后的矩形；若两个矩 形扩展后存在重叠区域，则这两个矩形可能存在冲突； 步骤1. 3 :使用平面扫描（Plane Swe印ing)方法，找到所有矩形扩展后有重叠区域的 矩形对； 步骤1. 4 :针对每一对具有重叠区域的矩形对，判定是否添加冲突边或候选缝合点边。
3. 按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤1. 4中，判定是否添加冲突边或 候选缝合点边的方法步骤包括： 步骤1. 4. 1 :判断两个矩形扩展前是否相互接触； 步骤1.4.2 :若扩展前相互接触，则这两个矩形间存在一个候选缝合点（stitch candidate);即在冲突图中，顶点Vi和V」之间添加一条候选缝合点边，边的权重为负，其权 重绝对值为：w%，Vj) = ws*A_lap，其中A_lap是两个矩形间的重叠面积； 步骤1. 4. 3 :若扩展前不相互接触，则进一步判断它们是否属于同一多边形； 步骤1. 4. 4:若属于同一多边形且属于某一个直线凸形（recti linearly convex shape)，则判定这两个矩形不存在冲突，在冲突图中不添加任何边； 步骤1. 4. 5 :若属于同一多边形但不组成直线凸形否则，则存在冲突；在冲突图中，顶 点Vi和\之间添加一条冲突边，边的权重为正，其权重绝对值为：w%，Vj) = Wc;*A_lap。
4. 按权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2中，对冲突图进行三着色包括： 设三种颜色为{〇)，(：1，02}，对冲突图6(￥，幻的顶点进行三着色，得到着色后的冲突图 为G{〇i, a,⑵(V, E)和着色函数c (Vi),其中c (Vi)为顶点Vi的颜色；优化目标为目标函数最 小，其中目标函数为全部冲突与缝合点的权重之和，即：
其中，Vl，v2为冲突图G(V，E)中两个顶点，E为冲突图中所有边的集合，《 (Vl，v2)为 连接乂1和％的边的权重；定义仅含颜色lA.Cj}，i，j = l，2,3;i关j的冲突子图G{a,CJ}(V'，E')为仅包含颜色{Ci，Cj}的顶点和相应的边（去掉悬边）的子图，其中，顶点集合 K' = {VIV v e F，c(v) e {Ci，Cj}}，边集合五-={(w，v) I V(w，v) e E，w e F ' v e 7 丨}。
5.按权利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的步骤2中，通过下述子步骤对冲突 图顶点进行三着色： 步骤2. 1随机初始颜色分配：对冲突图中的每一个顶点，随机均匀选择{CO, Cl，C2}中 一种颜色进行着色，形成初始解；计算目标函数，并将其设为当前最优解； 步骤2. 2对{C1，C2}的冲突子图进行{C1，C2}二着色：生成仅含颜色{C1，C2}的冲突 子图，E')，并利用二着色算法对冲突子图G{C1,C2}(V'，E')重新进行{C1，C2} 二着色；并将着色结果写回冲突图G(V，E)中； 步骤2. 3对{C0，C2}的冲突子图进行{C0，C2}二着色：在步骤2. 2得到的冲突图G(V， E)的基础上，生成仅含颜色{C0，C2}的冲突子图Gtetl,e2}(V'，E')，并利用二着色算法对冲 突子图G{_2} (V'，E')重新进行{CO, C2}二着色；并将着色结果写回冲突图G(V，E)中； 步骤2. 4对{C0，C1}的冲突子图进行{C0，C1}二着色：在步骤2. 3得到的冲突图G(V， E)的基础上，生成仅含颜色{C0，C1}的冲突子图Gte(l,a}(V'，E')，并利用二着色算法对冲 突子图G{ai,a} (V'，E')重新进行{CO, C1}二着色；并将着色结果写回冲突图G(V，E)中； 步骤2.5 :按式（1)计算三着色冲突图的目标函数，如果目标函数值比当前最优解的目 标函数值小，则更新当前最优解； 步骤2. 6如果连续t次没有更新当前最优解，则输出当前最优解，转步骤3 ;否则转至 步骤2. 2。
【文档编号】G06F17/50GK104346490SQ201310347294
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月9日 优先权日:2013年8月9日
【发明者】曾璇, 陆伟成, 周海, 严昌浩, 张业 申请人:复旦大学