65nm光罩數(shù)據(jù)制備流程的研究

1、<p><b>　　學院代碼</b></p><p><b>　　編 號</b></p><p><b>　　上海交通大學</b></p><p><b>　　工程碩士學位論文</b></p><p>　　學 號： 1042102103</

2、p><p><b>　　研 究 生： 李崢</b></p><p><b>　　導 師Ⅰ： 程秀蘭</b></p><p><b>　　導 師Ⅱ： 黃榮瑞</b></p><p>　　研究方向： 集成電路設計與工藝</p><p>　　論文題目： 65nm

3、光罩數(shù)據(jù)制備流程的研究</p><p>　　工程領域： 軟件工程</p><p>　　學 院： 微電子學院</p><p><b>　　- 1 -</b></p><p>　　65nm 光罩數(shù)據(jù)制備流程的研究</p><p><b>　　摘要</b></p>&

4、lt;p>　　分辨率增強技術在 65nm 及以下光刻工藝的廣泛使用，造成了光罩數(shù)據(jù)文件</p><p>　　容量驚人的增長和光罩刻制造性的困難。本研究工作以新的數(shù)據(jù)格式 OASIS 和</p><p>　　光罩數(shù)據(jù)制備流程為研究對象，以改善存儲空間瓶頸、減少重復操作和光罩的</p><p>　　可制造性為目標，試圖建立以新興的數(shù)據(jù)格式“OASIS”為基礎的光罩

5、數(shù)據(jù)制備</p><p>　　流程，以滿足 65nm 以下新型工藝對光罩數(shù)據(jù)處理的需求。通過 GDSII 與 OASIS</p><p>　　數(shù)據(jù)結構和文件存儲空間的比較實驗，證明了 OASIS 比 GDSII 優(yōu)越的原因；通</p><p>　　過基于 GDSII 與基于 OASIS 的數(shù)據(jù)格式轉換的比較實驗，證明了基于 OASIS 的</p>&l

6、t;p>　　數(shù)據(jù)處理是正確的和可以進行實際操作的；完成了 OASIS 數(shù)據(jù)格式在 OPC 處理</p><p>　　方面的應用，通過將 OPC 處理和圖形分解兩個分立的步驟整合成一個步驟，減</p><p>　　少了中間文件，突破了系統(tǒng)存儲空間上的瓶頸，同時提高了數(shù)據(jù)處理的效率；</p><p>　　完成了 OASIS 數(shù)據(jù)格式在 MRC 方面的應用，通過基于

7、 OASIS 的 MRC 檢查，在光</p><p>　　罩檢驗前，向光罩檢驗員提供 MRC 結果報告，讓檢驗員根據(jù)光罩版圖的特點選</p><p>　　擇檢驗機臺和檢驗模式，提高了光罩檢驗機臺的使用效率；綜合 OASIS 在數(shù)據(jù)</p><p>　　處理方面的新的研究成果，建立了基于 OASIS 的光罩數(shù)據(jù)處理流程。</p><p>　　關

8、鍵詞：MDP（光罩數(shù)據(jù)制備流程），GDSII，OASIS，OPC（光學臨近效應修正）,</p><p>　　MRC（光罩可制造性檢查）,DRC（設計規(guī)則檢查）</p><p>　　RESEARCH ON MASK DATA PREPARATION</p><p>　　FOR 65NM TECHNOLOGY</p><p><b>　

9、　ABSTRACT</b></p><p>　　The usage of resolution enhancement techniques (RET) has complicated the mask data preparation. The complications led to striking huge file size and mask manufacturing capabili

10、ty issue, especially in 65nm technology and below. Thisthesis presents the results of the research on new data format OASIS and mask data preparation flow to break through the bottle-neck of mask data storage, minimize

11、 the redundant operation and implement mask manufacturing rule check. Based on the results of the co</p><p>　　KEY WORDS: Mask Data Preparation，GDSII，OASIS，Optical Proximity</p><p>　　Correction

12、, Manufacturing Rule Check，Design Rule Check</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 引言.......................................................................1</p><p>　　光罩數(shù)據(jù)制備流程(M

13、DP)簡介...............................................1</p><p>　　光罩數(shù)據(jù)制備流程面臨的挑戰(zhàn)..............................................3</p><p>　　本文研究內容與意義....................................................

14、..6</p><p>　　2 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 格 式 (GDSII) ...................................................8</p><p>　　集成電路版圖的數(shù)據(jù)格式..................................................8</p><p>　　GDSII 的發(fā)展歷

15、史 ........................................................8</p><p>　　GDSII 的數(shù)據(jù)結構 ........................................................8</p><p>　　GDSII 圖形描述與記錄數(shù)據(jù)分析 ............................

16、...............12</p><p>　　本章小結...............................................................12</p><p>　　3 OASIS 數(shù)據(jù)格式 ...........................................................13</p>&l

17、t;p>　　OASIS 數(shù)據(jù)格式的簡介 ...................................................13</p><p>　　OASIS 格式的數(shù)據(jù)結構 ...................................................14</p><p>　　OASIS 圖形描述與記錄數(shù)據(jù)分析 .............

18、..............................15</p><p>　　OASIS 與 GDSII 格式的比較 ...............................................16</p><p>　　本章小結...............................................................17<

19、/p><p>　　4 光罩數(shù)據(jù)格式轉換的對比研究 ............................................18</p><p>　　背景介紹...............................................................18</p><p>　　實驗步驟....................

20、...........................................18</p><p>　　本章小結...............................................................31</p><p>　　5 分辨率增強技術（RET）與圖形分解（FRACTURE）的整合 .................32</p&g

21、t;<p>　　分辨率增強技術（RET）..................................................32</p><p>　　分辨率增強技術必需的技術條件...........................................34</p><p>　　圖形分解（FRACTURE）......................

22、...............................34</p><p>　　圖形分解的技術條件.....................................................34</p><p>　　分辨率增強技術（RET）與圖形分解（FRACTURE）數(shù)據(jù)處理流程..................34</p><p>　　分

23、辨率增強技術（RET）與圖形分解（FRACTURE）的整合........................36</p><p>　　分辨率增強技術（RET）與圖形分解（FRACTURE）的整合必需的技術條件..........37</p><p>　　分辨率增強技術（RET）與圖形分解（FRACTURE）的整合的實驗..................37</p><p

24、>　　本章小結...............................................................40</p><p>　　6 光罩可制造性規(guī)則檢查的研究 ............................................41</p><p>　　背景介紹.................................

25、..............................41</p><p>　　光罩可制造性規(guī)則.......................................................41</p><p>　　光罩可制造性規(guī)則檢查方法必需的技術條件.................................42</p><p>　　

26、光罩可制造性規(guī)則檢查自動系統(tǒng)的構成.....................................43</p><p>　　光罩 MRC 的對比實驗結果分析與討論 ....................................... 45</p><p>　　問題和進一步的研究...............................................

27、......49</p><p>　　本章小結...............................................................49</p><p>　　7 基于 OASIS 的光罩處理流程的建立 .......................................50</p><p>　　目前的光罩數(shù)據(jù)處理流程

28、.................................................50</p><p>　　目前的光罩數(shù)據(jù)處理流程的缺陷...........................................50</p><p>　　基于 OASIS 的光罩數(shù)據(jù)處理流程 ........................................... 5

29、1</p><p>　　基于 OASIS 的光罩數(shù)據(jù)處理流程的優(yōu)越性 ................................... 52</p><p>　　8 結 論 與 展 望 ............................................................... 54</p><p>　　結論.........

30、..........................................................54</p><p>　　展望...................................................................54</p><p>　　參考文獻.......................................

31、..............................56</p><p>　　附錄.........................................................................57</p><p>　　致謝...............................................................

32、..........60</p><p>　　攻讀學位期間發(fā)表的學術論文...................................................61</p><p><b>　　圖片目錄</b></p><p>　　圖1 針對不同掩模版寫入設備的掩模版數(shù)據(jù)制備(MDP)流程 ....................

33、..1 圖2 原始版圖 .............................................................2 圖3 圖形分解后的版圖 .....................................................2 圖4 引入 OPC 后的掩模版數(shù)據(jù)制備(MDP)流程 ..................................4 圖5 ITRS對數(shù)據(jù)文

34、件容量的預期.............................................5圖6 每個記錄的頭部 .......................................................9 圖7 實驗版圖設計 ........................................................10 圖8 OASIS整數(shù)的表示形式.............

35、..........</p><p>　　圖43 MEBES/GDSII/OASIS格式文件存儲空間比較..............................48圖44 目前的光罩數(shù)據(jù)處理流程 .............................................50圖45 基于 OASIS 的光罩數(shù)據(jù)處理流程 ....................................

36、...52</p><p><b>　　表格目錄</b></p><p>　　表1 數(shù)據(jù)的類型.......................................................................................................................9表2 整數(shù)例子..........

37、...............................................................................................................14表3 芯片版圖從 GDSII 到 OASIS 的格式轉換的結果.........................................................17表4 輸入文件的比較（GDSI

38、I 與 OASIS）...........................................................................20表5 以 GDSII 和 OASIS 格式文件轉換成的 MEBES 文件的比較.......</p><p><b>　　符號說明</b></p><p>　　GDSII “Graphic De

39、sign System II”的簡稱，二進制文件， 目前通用的集成電路設計版圖的文件格式；</p><p>　　MDP “Mask Data Preparation”的簡稱，指光罩數(shù)據(jù)處理；</p><p>　　OASIS “Open Artwork System Interchange Standard”的 簡稱，開放式系統(tǒng)交互標準；</p><p>　　OP

40、C “Optical Proximity Correction”的簡稱,光學臨近 效應修正；</p><p>　　RET “Resolution Enhancement Technology”的簡稱，分 辨率增強技術；</p><p>　　MRC “Manufacturing Rule Check”，光罩可制造性檢查；</p><p>　　DRC “Design

41、 Rule Check”的簡稱，設計規(guī)則檢查；</p><p>　　Tapeout 版圖數(shù)據(jù)文件從設計公司發(fā)送到光罩廠的行為；</p><p>　　Boolean Operation 版圖的邏輯處理</p><p>　　Bias 偏移量修正</p><p>　　Data Fracture 圖形分解</p><p>　　

42、Data Conversion 光罩寫入機格式轉換</p><p><b>　　Record 記錄</b></p><p><b>　　Bit 位元</b></p><p><b>　　Byte 字節(jié)</b></p><p>　　nm 納米，10-9米</p>&

43、lt;p><b>　　1 引言</b></p><p>　　光罩數(shù)據(jù)制備流程(MDP)簡介</p><p>　　光罩數(shù)據(jù)制備流程(又稱掩模版數(shù)據(jù)準備流程,Mask Data Preparation)是指集成電路設</p><p>　　計數(shù)據(jù)處理的最后階段，即版圖數(shù)據(jù)(IC Layout GDSII 文件)從設計公司發(fā)送(Tapeout)到

44、光</p><p>　　罩廠開始，直到生成光罩寫入機數(shù)據(jù)格式文件為終點，這一段的版圖數(shù)據(jù)處理階段。流程由</p><p>　　邏輯處理、偏移量修正、圖形分解和光罩寫入機(Mask Writer - 用于在光罩基板上進行曝</p><p>　　光的設備)格式轉換等部分構成,通常在光罩廠內完成，見圖 1。</p><p>　　IC Layout

45、(GDSII)</p><p>　　Boolean Operation, Bias, Data Fracture and</p><p>　　Data Conversion</p><p>　　MICRONIC File Hitachi File</p><p>　　MEBES File Jeol File</p><

46、p>　　圖1 針對不同掩模版寫入設備的掩模版數(shù)據(jù)制備(MDP)流程</p><p>　　Fig.1 Mask Data Preparation Flow for different Mask Writers</p><p>　　邏輯處理(Boolean Operation)</p><p>　　有些層的版圖（比如離子注入層）不需要版圖設計人員親自把圖形完全畫出

47、來，而是可</p><p>　　以從其他層的版圖，通過一定的邏輯算法生成得到。這部分的數(shù)據(jù)處理工作通常安排在光罩</p><p>　　廠內進行，因而成為了掩模版數(shù)據(jù)制備流程的一個部分。</p><p>　　偏移量修正(Bias)</p><p>　　由于光刻工藝相對于實際的版圖會存在一個固定的偏移量，這個偏移量主要由曝光機結</p>

48、;<p><b>　　- 1 -</b></p><p>　　構、光刻膠組成和工藝配方等因素造成, 偏移量的多少完全由芯片生產(chǎn)廠商所決定，設計公</p><p>　　司無法預知偏移量的數(shù)值。所以偏移量修正也會在掩模版數(shù)據(jù)制備流程中實現(xiàn)。</p><p>　　圖形分解 (Data Fracture)</p><p

49、>　　光罩寫入機可識別的版圖是基于四邊形和三角形的圖形類型。分為“柵格型”（Raster）</p><p>　　和“可變電子束型”(VSB: Variable Shaped Beam)兩種。而集成電路版圖都是由多邊形圖</p><p>　　形所構成，因此必須對原始版圖進行圖形分解，才能得到光罩寫入機的版圖形式，如圖 2 和</p><p><b>　

50、　圖3所示。</b></p><p><b>　　圖2 原始版圖</b></p><p>　　Fig.2 Original Layout</p><p>　　圖3 圖形分解后的版圖</p><p>　　Fig.3 Layout after fracture</p><p>　　光罩寫入

51、機格式轉換(Data Conversion)</p><p>　　光罩寫入機一般只能支持光罩寫入機生產(chǎn)廠商專用的數(shù)據(jù)格式，不同廠商的數(shù)據(jù)格式</p><p>　　互不兼容。光罩寫入機格式轉換是光罩數(shù)據(jù)制備流程的最后的步驟。初期的掩模版數(shù)據(jù)制備</p><p>　　(MDP)流程只需要支持一種掩模版曝光設備的數(shù)據(jù)格式（MEBES），因而只需要進行少量的數(shù)</p&

52、gt;<p>　　據(jù)轉換的步驟；隨著技術的發(fā)展，為了應對如今先進的光罩不斷增加的精密度的需求，出現(xiàn)</p><p><b>　　- 2 -</b></p><p>　　了各種各樣的掩模版制作設備，從而導致了各種掩模版數(shù)據(jù)寫入和檢查格式的出現(xiàn)，MDP 必</p><p>　　須能夠支持各種不同的掩模版數(shù)據(jù)格式和檢查格式，設備以及數(shù)據(jù)

53、流程的管理已成為半導體</p><p>　　行業(yè)中最富挑戰(zhàn)性的任務之一[1]。目前，在光罩行業(yè)中占主導地位的光罩寫入機的數(shù)據(jù)格式</p><p>　　有如下幾種：1）美國應用材料公司（Applied Materials）的 ALTA/MEBES （Manufacturing</p><p>　　Electron-Beam Exposure System）格式；2）瑞

54、典 Micronic 公司的 MIC 格式；3）日本電子</p><p>　　株式會社的 jeol 格式；3）日本東芝公司的 toshiba 格式；4）日本日立公司的 hitachi 格</p><p><b>　　式。</b></p><p>　　光罩數(shù)據(jù)制備流程面臨的挑戰(zhàn)</p><p>　　分辨率增強技術的引入對光

55、罩數(shù)據(jù)制備流程產(chǎn)生了相當大的影響。</p><p>　　分辨率增強技術（RET）的引入增加了復雜度</p><p>　　集成電路工藝進入到 0.18um 階段之后，曝光機的光源波長已經(jīng)超過了最小線寬，為了</p><p>　　解決圖形邊沿的光學臨近效應的影響，開始引入了分辨率增強技術（RET），主要包括有相位</p><p>　　移光罩（PS

56、M：Phase Shift Mask）和光學鄰近修正技術（OPC：Optical Proximity Correction）。</p><p>　　由于 OPC 在先進光罩中的使用，MDP 流程發(fā)生了變化，復雜度大大增加了，見圖 4。</p><p><b>　　- 3 -</b></p><p>　　圖4 引入 OPC 后的掩模版數(shù)據(jù)制備(M

57、DP)流程</p><p>　　Fig.4 MDP flow including OPC process</p><p><b>　　系統(tǒng)的存儲空間增大</b></p><p>　　第一，中間文件數(shù)量的增加。由于流程中的各個步驟會使用不同的 EDA 軟件工具，因此</p><p>　　會產(chǎn)生大量的中間數(shù)據(jù)文件（例如 OP

58、C 處理產(chǎn)生的版圖文件），需要大量的數(shù)據(jù)更新，從而</p><p>　　使數(shù)據(jù)處理的作業(yè)時間和文件對存儲空間的需求有很大幅度地增加；</p><p>　　第二，版圖文件存儲空間的大幅增加。芯片集成化程度的增長使文件的存儲容量呈指數(shù)</p><p>　　增加，65nm 芯片版圖文件已經(jīng)超過 50G。ITRS(International Technology Roadm

59、ap for</p><p>　　Semiconductors)對數(shù)據(jù)文件容量的預期。1TG 可能在 2007 年出現(xiàn)，見圖 5[2]。</p><p><b>　　- 4 -</b></p><p>　　圖5 ITRS 對數(shù)據(jù)文件容量的預期</p><p>　　Fig.5 Data Volume Forecast fr

60、om ITRS</p><p>　　第三，OPC 處理在版圖中加入了大量的小圖形，因此生成的 OPC 版圖文件的存儲容量遠</p><p>　　大于原始的版圖文件，大大增加了對存儲容量的需求。</p><p>　　因此，雖然目前存儲介質和系統(tǒng)得到了很大的提高，數(shù)以千 G 計的硬盤陣列的應用仍然</p><p>　　無法滿足高端工藝光罩的需求，

61、越來越成為光罩數(shù)據(jù)制備流程的瓶頸。</p><p>　　光罩的可制造性檢查難度增加</p><p>　　后端布局布線或者經(jīng)由邏輯處理產(chǎn)生的版圖都可能會形成非常小的圖形,比如“臺階”，</p><p>　　不僅對光罩制作，而且對光罩檢驗造成了相當大的困難。光罩檢驗的方法是用檢驗機臺得到</p><p>　　的光罩上的圖形影像與光罩版圖數(shù)據(jù)作比較

62、，根據(jù)兩者間的差異來捕獲缺陷的，稱為“Die to</p><p>　　Database 檢驗”。檢驗機臺能夠識別的最小圖形是由檢驗機臺的型號和不同靈敏度的檢驗模</p><p>　　式所決定的。有兩種情況會導致缺陷的捕獲：一種情況是，某些小圖形已經(jīng)超出了光罩曝光</p><p>　　機的能力，而無法在光罩基板上完美的顯示出來，但是檢驗機臺設定的檢驗模式的靈敏度過&

63、lt;/p><p>　　高，能夠識別這些小圖形的版圖數(shù)據(jù)，所以這些圖形會被當作缺陷而被捕獲。某些情況下由</p><p>　　于這些圖形不會影響到最終芯片的合格率，因此可以被認為是“假缺陷”（False Defect）</p><p>　　或“干擾缺陷”，也可以認為這些缺陷是被“設計”出來的；另一種情況是，光罩曝光機的</p><p>　　能力足

64、夠到把小圖形完美地顯示出來，但是檢驗機臺設定的檢驗模式的靈敏度較低，不能夠</p><p>　　識別這些小圖形的版圖數(shù)據(jù)，所以這些圖形也會被當作缺陷而被捕獲。光罩檢驗機臺在檢驗</p><p><b>　　- 5 -</b></p><p>　　光罩的時候，在抓到真正的缺陷的同時，也會抓到這些“假的缺陷”。由于版圖上這類圖形</p>

65、<p>　　的數(shù)量數(shù)以萬計，因此光罩檢驗機臺會遇到極大困難。一方面，由于光罩檢驗機臺的存儲空</p><p>　　間的限制，當“假缺陷”的數(shù)量超過了存儲空間時，機臺會自動停止，檢驗失敗[3]；另一方</p><p>　　面，即使“假缺陷”的數(shù)量能在存儲空間以內，機臺操作員還要對缺陷進行分類，數(shù)以千計</p><p>　　的“假缺陷”也都需要一個一個地進

66、行分類，需要占用機臺大量的時間，同時，也會造成漏</p><p>　　逮真正缺陷的風險。為了盡量地減少“假的缺陷”的數(shù)量，提高檢驗機臺的效率，必須根據(jù)</p><p>　　光罩版圖上的圖形，正確地選擇檢驗機臺的檢驗模式。</p><p><b>　　本文研究內容與意義</b></p><p>　　目前國內國際研究大體上的

67、思路為尋求新的數(shù)據(jù)格式來代替目前廣泛使用的GDSII文件</p><p>　　格式。 包括新的數(shù)據(jù)格式的提出（如 SEMI 提出的 OASIS，Motorola 提出的 XML 語言）和數(shù)</p><p>　　據(jù)格式的統(tǒng)一（如 Mentor 提出的基于 OASIS 的統(tǒng)一的 VSB 光罩寫入機數(shù)據(jù)格式[1]），同時光</p><p>　　罩 MRC 的重要性得到了認

68、可, 部分光罩制造廠商如 Toppan 進行了相關的研究，提出了利用</p><p>　　DRC 工具來進行 MRC 的工作[3]。</p><p>　　從先前研究的研究對象來看，GDSII 數(shù)據(jù)結構的不足是造成上述制約的重要原因，新的</p><p>　　數(shù)據(jù)結構的導入是有必要的。雖然數(shù)據(jù)結構的統(tǒng)一性問題受到了關注，但是現(xiàn)實中的芯片設</p><

69、;p>　　計和光罩的數(shù)據(jù)處理，還必須使用不同的軟件工具以及相應的數(shù)據(jù)結構，同時光罩制造和檢</p><p>　　驗設備制造商間的壁壘，也使數(shù)據(jù)結構無法在短時間內獲得統(tǒng)一。先前的研究基本上給出的</p><p>　　都是示范性的研究結果，主要表現(xiàn)在開展相關應用的例子不多，這主要還是因為新的數(shù)據(jù)格</p><p>　　式還缺乏嚴格的可靠性證明，因此作為生產(chǎn)單位要做

70、類似的研究，應著重于試驗圖形取材自</p><p>　　實際的產(chǎn)品，如此研究結果將可直接應用于產(chǎn)品。</p><p>　　本文針對 65nm 以下新型工藝技術對光罩數(shù)據(jù)處理的技術需求，以光罩數(shù)據(jù)制備流程為</p><p>　　研究對象，以改善存儲空間瓶頸、減少重復操作和光罩的可制造性為目標，試圖建立以新興</p><p>　　的數(shù)據(jù)格式“OA

71、SIS”為基礎的光罩數(shù)據(jù)制備流程，以滿足 65nm 技術對光罩數(shù)據(jù)處理的要求。</p><p><b>　　本文的主要結構為：</b></p><p><b>　　第一章 引言。</b></p><p>　　第二章 GDSII 文件格式。介紹 GDSII 的歷史，分析這種格式的數(shù)據(jù)結構。</p><p&

72、gt;　　第三章 OASIS 文件格式。介紹 OASIS 的發(fā)展，分析其數(shù)據(jù)結構相比于 GDSII 的優(yōu)勢。</p><p>　　第四章 數(shù)據(jù)格式轉換的對比研究。通過對“GDSII”文件和“OASIS”文件的存儲容</p><p><b>　　- 6 -</b></p><p>　　量的比較，證明“OASIS”文件的優(yōu)越性；分別以“GDSII”

73、文件和以“OASIS”文件作為</p><p>　　輸入文件進行光罩版圖數(shù)據(jù)格式轉換，通過對輸出的各種光罩寫入機數(shù)據(jù)文件的比較，</p><p>　　證明 OASIS 格式文件的可靠性。</p><p>　　第五章 RET 與圖形分解的整合。研究 RET 與圖形分解進行整合的方法，減少中間文</p><p>　　件的生成，提高光罩數(shù)據(jù)制備的效

74、率，突破高端產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理在存儲空間方面的瓶頸。</p><p>　　第六章 光罩可制造性規(guī)則檢查的研究。通過光罩可制造性規(guī)則檢查的研究和應用，</p><p>　　預先發(fā)現(xiàn)可能的“干擾缺陷”，從而提高光罩檢驗機臺的效率，保證高端光罩制作的順利</p><p><b>　　執(zhí)行。</b></p><p>　　第七章 基于“

75、OASIS”的光罩數(shù)據(jù)制備流程。綜合第四、五和六章的研究成果，提</p><p>　　出新的光罩數(shù)據(jù)制備流程，給出與原來的光罩數(shù)據(jù)制備流程的比較結果。</p><p><b>　　第八章 結論。</b></p><p><b>　　- 7 -</b></p><p>　　2 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式(GDSI

76、I)</p><p>　　集成電路版圖的數(shù)據(jù)格式</p><p>　　集成電路后端設計，即布局布線和驗證完成之后，無論設計者采用任何設計工具，一般</p><p>　　都會把最終的設計版圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)格式的轉換，保存為一個業(yè)界通用的標準格式的文件。這</p><p>　　個通用格式的文件被送往光掩膜制造公司進行后續(xù)的光罩數(shù)據(jù)處理，最終轉換成光罩

77、寫入機</p><p>　　的數(shù)據(jù)格式，才能開始光罩的制作。目前最為廣泛使用的文件格式是一種被稱為“GDSII”</p><p>　　的文件格式[4]，而“OASIS”作為新一代的文件格式，正以“GDSII”的替代者的身份異軍突</p><p><b>　　起[5]。</b></p><p>　　GDSII 的發(fā)展歷史&

78、lt;/p><p>　　“GDSII”其實是“Graphic Design System II”的簡稱。由美國 Calma 公司的 Roger</p><p>　　Sturgeon 等人與 1970 年代早期發(fā)明，作為數(shù)據(jù)交換格式。1970 年代至今，GDSII 逐漸成為</p><p>　　集成電路業(yè)界所公認的標準[6]。但是，隨著半導體技術的發(fā)展，集成化程度的顯著增

79、加，文</p><p>　　件容量增加得極為快速。比如，現(xiàn)代 GDSII 文件已接近 50GB 的文件容量。GDSII 文件在數(shù)據(jù)</p><p>　　結構設計上的不足被越來越清晰地呈現(xiàn)在我們面前，比如，GDSII 文件中的圖形的每個節(jié)點</p><p>　　都是用絕對坐標表示的，占 4 個字節(jié)（“SMMMMMMM MMMMMMMM MMMMMMMM MMMMMMM

80、M”其中 S 是</p><p>　　符號位）。因此，GDSII 數(shù)據(jù)格式是導致數(shù)據(jù)文件存儲容量和處理時間以驚人的速度增長的主</p><p>　　要原因之一。由于“GDSII”作為一個非常成熟的文件格式，已被集成電路業(yè)界使用了幾十</p><p>　　年了，因此要用新的數(shù)據(jù)格式來完全替代它需要經(jīng)過大量的修改和驗證的過程。</p><p>　

81、　GDSII 的數(shù)據(jù)結構</p><p>　　記錄（record）</p><p>　　一個 GDSII 文件是由無數(shù)個記錄（record）構成的。記錄由字節(jié)(byte)構成。字節(jié)長度</p><p>　　為 8 位 bit。兩個 8 位字節(jié)構成一個字(word)。每個 record 的頭部有一個標題，占 4 個字節(jié)。</p><p>　　其

82、中，第一個 word 表示 record 的長度，第二個 word 分成兩部分，前一個 byte 表示 record</p><p>　　的類型，后一個 byte 表示 record 的數(shù)據(jù)類型（見圖 6）。從第五個 byte 開始到 record 結束</p><p>　　是數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)的類型見表 1。</p><p><b>　　- 8 -<

83、/b></p><p>　　Bit # 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15</p><p>　　Total record length</p><p>　　Record Type Data Type</p><p>　　圖6 每個記錄的頭部 Fig.6 Record Head</p>

84、<p><b>　　表 1 數(shù)據(jù)的類型</b></p><p>　　Tab.1 Data Type</p><p>　　Data type Value</p><p>　　No data present 0</p><p>　　Bit Array 1</p><p>　　Two-By

85、te Signed Integer 2</p><p>　　Four-Byte Signed Integer 3</p><p>　　Four-Byte Real 4</p><p>　　Eight-Byte Real 5</p><p>　　ASCII String 6</p><p>　　GDSII 格式總共擁有多

86、達 69 種記錄類型，如 library 的起始（BGNLIB）、library 名稱</p><p>　?。↙IBNAME）、library 的結束（ENDLIB）、structure 的起始（BGNSTR）、structure 名稱</p><p>　?。⊿TRNAME）、structure 的結束（ENDSTR）、boundary 元素的起始（BOUNDARY）、boundary&l

87、t;/p><p><b>　　坐標（XY）等等。</b></p><p>　　GDSII 文件數(shù)據(jù)結構的實驗</p><p>　　為了更真實地對 GDSII 文件的數(shù)據(jù)結構進行分析，本文使用版圖工具 Laker 產(chǎn)生了一個</p><p>　　包含簡單版圖設計（見圖 7）的 GDSII 文件，然后編寫 java 程序打印 G

88、DSII 文件的二進制碼</p><p>　?。ㄒ姼戒?1），并根據(jù) GDSII 的數(shù)據(jù)結構進行分析。</p><p><b>　　- 9 -</b></p><p><b>　　圖7 實驗版圖設計</b></p><p>　　Fig.7 Experimental Layout</p>

89、<p>　　圖 7 的版圖設計由一個多邊形（polygon）和一個矩形（rectangle）構成。</p><p>　　GDSII 文件的二進制碼用斜體表示，詳解如下：</p><p>　　0006[記錄長度 6byte]00[HEADER]02[數(shù)據(jù)類型 2-Two-Byte Signed Integer ]0005[版本 5]</p><p>　　0

90、01c[記錄長度 28byte]01[library 的起始]02[數(shù)據(jù)類型 2-Two-Byte Signed Integer][余下</p><p>　　24byte 包含日期和時間][前 12byte 關于最后修改，后 12bytes 關于最后 access]0006[2006</p><p>　　年 ]0004[4 月 ]0014[20 日 ]000d[13 點 ]0038[56

91、分 ]002e[46 秒 ]0006[2006 年 ]0004[4</p><p><b>　　- 10 -</b></p><p>　　月]0014[20 日]000d[13 點]0038[56 分]002e[46 秒]</p><p>　　000c[ 記 錄長 度 12byte]02[LIBNAME]06[ASCII String]4c[L

92、]49[I]42[B]31[1]2e[.]44[D]</p><p>　　42[B]00[空]</p><p>　　0014[記錄長 度 20byte]03[UNITS]05[Eight-Byte Real]3e41 8937 4bc6[1E-3]3944 b82f</p><p>　　a09b 5a51[1E-9]001c[28byte]05[BGNSTR]02[

93、2-Two-Byte Signed Integer]</p><p>　　0006[2006 年]0004[4 月]0014[20 日]000d[13 點]0038[56 分]002e[46 秒] 0006[2006</p><p>　　年]0004[4 月]0014[20 日]000d[13 點]0038[56 分]002e[46 秒]</p><p>　　000

94、8[8byte]06[STRNAME]06[ASCII String] 43[C]45[E] 4c[L]4c[L]</p><p>　　0004[4byte] 08[BOUNDARY]00[No Data]</p><p>　　0006[6byte] 0d[LAYER]02[Two-Byte Signed Integer]000a[10]</p><p>　　000

95、6[6byte]0e[DATATYPE]02[Two-Byte Signed Integer]0000[0]</p><p>　　003c[60byte]10[XY]03[Four-Byte Signed Integer]</p><p>　　以下 7 行描述多邊形</p><p>　　00 98 96 80[X=10000.000um] 00 98 e4 a0[Y

96、=10020.000um]</p><p>　　00 98 96 80[X=10000.000um] 00 99 0b b0[Y=10030.000um]</p><p>　　00 98 bd 90[X=10010.000um] 00 99 0b b0[Y=10030.000um]</p><p>　　00 98 bd 90[X=10010.000um] 00 99

97、 32 c0[Y=10040.000um]</p><p>　　00 98 e4 a0[X=10020.000um] 00 99 32 c0[Y=10040.000um]</p><p>　　00 98 e4 a0[X=10020.000um] 00 98 e4 a0[Y=10020.000um]</p><p>　　00 98 96 80[X=10000.000u

98、m] 00 98 e4 a0[Y=10020.000um]</p><p>　　0004[4byte]11[ENDEL]00[No Data]</p><p>　　0004[4byte]08[BOUNDARY] 00[No Data]</p><p>　　0006[6byte] 0d[LAYER]02[Two-Byte Signed Integer]000a[10]

99、</p><p>　　0006[6byte]0e[DATATYPE]02[Two-Byte Signed Integer]0000[0]</p><p>　　002c[44byte]10[XY]03[Four-Byte Signed Integer]</p><p>　　以下 5 行描述矩形</p><p>　　00 98 96 80[X=1

100、0000.000um] 00 98 96 80[Y=10000.000um]</p><p>　　00 98 96 80[X=10000.000um] 00 98 bd 90[Y=10010.000um]</p><p>　　00 98 e4 a0[X=10020.000um] 00 98 bd 90[Y=10010.000um]</p><p>　　00 98 e

101、4 a0[X=10020.000um] 00 98 96 80[Y=10000.000um]</p><p><b>　　- 11 -</b></p><p>　　00 98 96 80[X=10000.000um] 00 98 96 80[Y=10000.000um]</p><p>　　0004[4byte]11[ENDEL]00[No D

102、ata]</p><p>　　0004[4byte]07[ENDSTR]00[No Data]</p><p>　　0004[4byte]04[ENDLIB]00[No Data]</p><p>　　GDSII 圖形描述與記錄數(shù)據(jù)分析</p><p>　　對多邊形和矩形的描述</p><p>　　從 GDSII 文件

103、的二進制碼的解讀不難看到，對于多邊形的描述是基于頂點坐標按逆時針</p><p>　　方向逐點記錄直到回到起始點。上例中的含 6 個頂點的多邊形需要 7 個點（包括 2 次起始點）</p><p>　　的坐標來記錄，同樣的矩形需要 5 個坐標來記錄。每個坐標的 X 或 Y 都必須采用固定的 4 個</p><p>　　字節(jié)，這是因為 GDSII 采用的都是絕對坐標。

104、因此，GDSII 描述一個矩形需要 40 個字節(jié)，一</p><p>　　個含 6 個頂點的多邊形需要 56 個字節(jié)。描述多邊形和矩形的方法和絕對坐標的使用是 GDSII</p><p>　　利用存儲空間效率低下的主要原因。</p><p>　　對記錄的數(shù)據(jù)量的顯性說明</p><p>　　每個記錄都需要占用 2 個字節(jié)來說明記錄的數(shù)據(jù)量，而

105、每個多邊形、矩形或者路徑（path）</p><p>　　都是 1 個記錄，為了知道每個記錄的結尾處，GDSII 采用了顯性說明的方法。這種方法是以</p><p>　　犧牲存儲空間為代價的。</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　GDSII 具有相當悠久的歷史，是目前業(yè)界的標準。通過對 GD

106、SII 規(guī)范的分析，發(fā)現(xiàn) GDSII</p><p>　　的數(shù)據(jù)結構主要是基于記錄的顯性說明和固定字節(jié)的坐標描述。通過繪制版圖和 java 編程，</p><p>　　對實際版圖的 GDSII 文件分析的結果證明了這個觀點，為與新的數(shù)據(jù)結構的比較分析奠定了</p><p><b>　　基礎。</b></p><p>&l

107、t;b>　　- 12 -</b></p><p>　　3 OASIS 數(shù)據(jù)格式</p><p>　　OASIS 數(shù)據(jù)格式的簡介</p><p>　　新興的數(shù)據(jù)格式(OASIS)的出現(xiàn)和發(fā)展歷程</p><p>　　隨著集成電路工業(yè)的快速發(fā)展，晶體管的尺寸越來越小，版圖設計的復雜度越來越高，</p><p&

108、gt;　　導致集成電路版圖文件的存儲容量接近系統(tǒng)的極限。由于 GDSII 本身在數(shù)據(jù)結構上的不足，</p><p>　　人們逐漸把眼光投向更新的數(shù)據(jù)結構的開發(fā)和應用中，其中 OASIS（Open Artwork System</p><p>　　Interchange Standard，開放式系統(tǒng)交互標準）[8]是其中的佼佼者。OASIS 1.0 最早于 2002</p>&

109、lt;p>　　年 10 提出。直到 2004 年，被 SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International</p><p>　　的簡稱)認可為下一代數(shù)據(jù)格式。OASIS 幾個重要的技術特征使得它十分勝任這項任務。OASIS</p><p>　　文件不僅比 GDSII 緊湊得多，而且 OASIS 能夠更有效地表達平面數(shù)據(jù)。O

110、ASIS 中的數(shù)據(jù)可以</p><p>　　被直接訪問。OASIS 數(shù)據(jù)格式的文件據(jù)稱比 GDSII 文件小 5 到 20 倍[5]。</p><p>　　業(yè)界對 OASIS 數(shù)據(jù)格式的認同度</p><p>　　業(yè)界目前對新的文件規(guī)格的需求越來越迫切，因為奈米級 IC 設計需要巨大的文件。Oasis</p><p>　　Tooling 公司

111、和 MicroEDA 公司最近分別推出了 OpenAccess 到 Oasis 的編譯器[9]。先前已推</p><p>　　出一款 GDSII 到 Oasis 的編譯器的明導國際公司，目前正在其 Calibre 工具中增加對 Oasis</p><p>　　的直接存取功能，并且正開發(fā)自己的 OpenAccess 到 Oasis 編譯器。Cadence 設計系統(tǒng)公司則</p>

112、<p>　　將借助明導所開發(fā)的 OpenAccess 編譯器實現(xiàn)對 Oasis 的支持。新思公司更承諾，利用該公</p><p>　　司的應用編程接口，它的所有 IC 實體設計和制造性設計工具都將支持 Oasis 規(guī)格。Synopsys</p><p>　　日前表示，其 Galaxy 設計平臺及可制造性設計(DFM)工具套件支持完整的 Open Artwork</p>

113、;<p>　　System Interchange Standard (Oasis)檔案傳輸格式。Synopsys 表示，所有相關的軟件，</p><p>　　包括 Astro、IC Compiler、CATS、Hercules、Proteus、SiVL 及 Star-RCXT 均支持 Oasis。</p><p>　　SEMI 資料路徑任務小組開發(fā)負責人、目前任 Oasis

114、 Tooling 總裁兼 CEO 的 Tom Grebinksi</p><p>　　在由 Synopsys 發(fā)出的聲明中表示，產(chǎn)業(yè)正處于 GDSII 無法再勝任恰當描述幾何尺寸設計和</p><p>　　光罩版圖資料的關鍵過渡時期。高性能兼容 Oasis 及可與 MDP 工具互用的工具，如 Synopsys</p><p>　　的產(chǎn)品，為取代 GDSII 工具變得

115、相當重要并且非常實時。Synopsys 是定義并開發(fā) GDSII 的任</p><p>　　務小組早期參與者[10]。</p><p><b>　　- 13 -</b></p><p>　　OASIS 格式的數(shù)據(jù)結構</p><p>　　記錄（record）</p><p>　　OASIS 文件由

116、記錄構成[8]。每個 record 由多個字節(jié)（byte）構成。每個字節(jié)的長度固定</p><p>　　為 8 位 bit。與 GDSII 不同，OASIS 采用一種全新的方法來表示 record 的結尾。比如 OASIS</p><p>　　的整數(shù)（Integer）是可變長度整數(shù)。低位 byte 在前，高位 byte 在后。取每個 byte 最高位</p><p>