色彩密度的平衡

在摇摇欲坠的钢丝上保持平衡是芯片设计师们非常擅长的事情。例如，在优化性能和最小化设计布局中的泄漏之间有一个微妙的平衡。处理多模式(MP)引入到设计流程中的新需求会产生许多新的困难。我在上一篇文章中提到了一个很少被提及的问题——密度要求。让我们深吸一口气，走到中间。

密度要求并不是什么新鲜事，对吧?我们都知道，整体图案密度和密度均匀性会影响光刻、蚀刻、化学机械抛光(CMP)、快速热退火(RTA)的温度均匀性、应力等结果。因此，对于现在的许多技术节点，在设计规则检查(DRC)期间必须满足密度规则。满足这些密度要求的传统解决方案是使用虚拟图案填充。此外，非活动的设计形状被插入到设计的开放区域，以平滑整个布局的密度变化。随着时间和节点的推移，越来越严格的密度要求导致了越来越多的“智能”填充应用程序的开发，以帮助设计人员满足这些要求。然而，这种填充基本上可以在主动电路设计之后处理——本质上只是设计流程中的后处理步骤。

多模式引入了一个全新的密度要求，因为给定的设计层实际上在制造过程中被处理为多个掩模和蚀刻步骤。每个蒙版所定义的图案不仅本身必须是均匀的，而且它还必须与该层的其他蒙版具有相当的密度。为了简化概念，让我们考虑一个双图案蚀刻工艺应用程序，其中给定的设计层将被分解为两种颜色(即两个蒙版)。在DRC中可能会遇到与此类层相关的三种密度要求。

1. 每种颜色可能需要分别满足特定的总密度和密度均匀性要求。
2. 两种颜色之间的密度比可能需要满足一定的均匀性要求。
3. 两种颜色的组合可能需要满足传统的总密度和密度均匀性要求。

让我们集中讨论第二个要求——在这种双图案的过程中，两种颜色的密度比的均匀性。乍一看，这似乎很简单。你画出所需的有源电路设计形状，然后将其中一半分配给一种颜色，另一半分配给另一种颜色。但是，这当然不可能那么容易，图1显示了实际设计中失败的密度比失败示例。

图1:由于多边形区域的差异而失败的密度测量窗口。

在你的设计中，并不是每个多边形都有相同的面积，所以简单地将它们分成两半，并任意地将每一半分配给一种颜色并不一定会产生均匀的分布。一些多边形可能非常大，以至于它们完全或几乎完全包围了整个密度窗口区域。如果这个多边形被简单地分配为单一颜色，密度窗口将失败。如果密度窗口只包含来自活动设计的单一颜色的单个多边形，则该窗口将失败。如果你没有在一个空区域添加和颜色假填充，那么重叠该空区域的窗口可能会因为没有颜色而失败。从钢丝绳上下来!

即使是早期的设计方法决策也会对最终的颜色密度平衡产生巨大影响。图2显示了标准单元格轨道高度如何产生影响。标准单元库中轨道数量的选择固有地影响动力轨道所需的着色，因为相邻轨道之间的颜色交替要求。当轨道数为奇数时，电源轨道颜色相反;当轨道数为偶数时，电源轨道颜色相同。由于电源轨道通常比信号轨道宽得多，它们主导了对颜色的影响。密度窗口的直方图显示了设计中两个动力轨是相同颜色的色比的显著偏移。

图2:在一个大的标准单元设计块中，不同的标准单元轨道高度会影响颜色密度比。

在任何给定的窗口区域中，两种颜色之间的实际密度比受到许多因素的影响，这取决于您的代工厂在双重图案中可能支持的各种设计选项。图3展示了其中一些因素。

图3:在双图案过程中促成两种颜色之间密度平衡的设计结构

在先进的节点设计中，大多数有源电路设计多边形都处于最小空间，以达到最大的设计压缩。这种紧凑的间距要求相邻的多边形交替着色才能成功地制造形状。这种限制意味着，无论每个单独多边形的面积有多大，这些密集间隔的多边形都被迫交替颜色，无论这是否有助于或损害颜色平衡。

有些比例的有源电路设计多边形不在这个紧密的间距。这些多边形可以根据需要任意着色，以适应密度友好的分布。然而，根据设计流程的不同，它们的着色可能在它们周围的其他布局完成之前就已经完成了，所以它们的颜色分布可能对最终的颜色比例并不“友好”。

虚拟填充多边形的添加引入了另一个机会，以一种可能有助于平衡最终颜色比例的方式应用着色。根据填充在设计流程中的着色时间和方式，虚拟填充着色可能有助于或损害颜色比例。

对于极大地偏向局部窗口中颜色密度的非常大的多边形，一些代工厂支持添加反向颜色叠加填充多边形。这些覆盖多边形在制造过程中不会在金属中产生“槽”。它们本质上是叠加在形状上的双重遮罩，所以最终的遮罩形状不受它们的影响。然而，在反色掩模的处理过程中，它们有助于平衡该掩模在该区域的密度。

最后，如果铸造厂支持使用缝线，那么可以使用缝线将多边形本质上分成不同颜色的小块，以帮助平衡密度。如果允许的话，缝线通常只用于修复奇数周期问题，并且有意将缝线的数量减至最低。这种密度平衡应用针脚插入大量额外的针脚只是为了提高颜色的平衡。缝线的使用也可以被限制在必须被撕成碎片的大手指多边形上，而不是在任何地方都使用缝线。

作为一家EDA公司，门拓一直在寻找最佳的自动化解决方案来解决这类设计挑战。我们与领先的代工和设计用户的合作告诉我们，没有一种万能的解决方案。不同的铸造厂有非常不同的颜色密度平衡要求，并允许非常不同的解决方案。不同的设计公司也有非常不同的设计流程。每个设计块都有一些“随其变化的颜色”，还有一些“最后的颜色”。有些在进行时添加填充，有些在结束时添加填充。有些填充在插入时上色，有些稍后上色。

我们发现，最好是带来一系列工具功能，这些功能可以混合和匹配，从而在特定的应用程序空间中提供最佳解决方案。这种多功能性不仅帮助设计人员适应不同的需求、选项和流程，而且还允许每个工具在结果质量和性能方面对其执行的功能进行优化。图4显示了使用一系列自动化工具功能生成颜色平衡良好的设计的流程。

图4:色密度平衡流。

前两个功能在我以前的文章中已经进行了相当广泛的讨论。它们是将布局分解为多种颜色的基本元素。这里的重点是它们影响颜色平衡的能力。我们的Calibre YieldEnhancer工具中的SmartFill功能有很好的文档记载，但是它们已经得到了增强，可以在需要时插入彩色填充。基于区域的颜色“翻转”功能是我们专门为微调颜色平衡设计而构建的解决方案。坚持这个想法。

建立适当的流程和使用模型是至关重要的。例如，通过在电路着色后插入彩色填充，基于图的引擎不必处理可能显著降低性能的gb填充数据。如果电路和虚拟填充工具的简单颜色交替能力不足以满足所有的颜色密度平衡要求，那么新的基于区域的翻转工具可以进行一些精细的调整。将基于图形的处理与基于区域的处理分开，可以使这两个过程更有效地工作。

现在，回到这个基于区域的翻转解决方案。其基本思想是，最好在所有内容都上色后评估布局的真实颜色密度，并且您可以真正地从基于窗口的区域视图查看它，就像传统的密度DRC检查一样。此时，您可以准确地确定哪些窗口有问题，并将纠正工作集中在那里。所有前面的着色步骤都很可能在大多数窗口中产生良好的颜色平衡结果。一旦您知道哪些窗口不满足需求，您就可以确定满足这些需求所需的修改，同时尽可能少地更改初始颜色。

我们在这个过程中引入了两个关键的修正技术。我们寻找任意颜色的多边形，以及在颜色区域中有显著delta的连接组件。图5显示了此类设计元素的一个示例。

图5:可以“翻转”以改善颜色密度平衡的部分布局。

分隔符表示多边形之间低于最小值的间距，要求它们是不同的颜色。任何不接触分隔符的特定多边形都可以自由地分配给任何颜色，因此您可以根据需要翻转这些多边形的颜色，以改善颜色密度平衡。

由分隔符连接的多边形形成连接组件。如果一个多边形与分隔符接触，那么它的颜色必须与其连接的邻居相反。在双图型中，如果翻转连接组件中一个多边形的颜色，则必须翻转该组件中所有多边形的颜色，以避免着色冲突。由于给定连接组件中的所有多边形可能都不相同大小，因此一种颜色的所有面积之和可能与另一种颜色的面积之和显著不同。

由于密度测量的窗口可以重叠，并且多边形和连接的组件可以跨多个窗口存在，因此使用这些翻转中的任何一种都可能影响多个窗口的颜色密度比。启发式求解算法可以应用于最小化所有窗口的颜色密度误差，提供改进的平衡结果(图6)。在本例中，布局的大部分由任意可着色的多边形和具有非均匀颜色区域的小型连接组件组成。也有非常大面积的多边形，显着偏向颜色密度，分散在整个布局。在原始上色后，由于这些大多边形，许多窗口的色彩平衡失败。基于区域的翻转过程使用启发式来识别任意可着色的多边形和连接组件的最小集合来翻转，解决了设计中的大部分问题。然而，请注意，颜色翻转并不总是能够解决设计中的所有密度平衡问题。

图6:翻转设计布局以纠正初始着色后的密度平衡失败。

在多图案设计中平衡颜色密度只是设计师在高级节点必须面对的另一个制造约束。期望在规则甲板中看到DRC检查这些约束。Mentor将继续构建和增强设计自动化工具，以帮助您满足这些新的设计约束。了解特定代工的需求是什么，制定考虑这些限制的设计流程和方法，并学习可以用于它们的新工具和功能，这是确保您不会在没有安全网的情况下从钢索上掉下来的最佳方法。

在我的下一篇博客中，我想看看超越两种颜色是如何影响错误检测和可视化的。当你以为根据你对双图案设计的经验，你已经弄明白了一切，三倍和四倍图案的承诺将把你送回自习室。我们将研究如何有效地调试TP和QP中的周期违规。别慌!我们通过DP解决了问题，我相信我们也可以通过TP和QP解决问题。