微電路制造與設(shè)計(jì)中的統(tǒng)計(jì)表征與優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、在當(dāng)今微電路制造領(lǐng)域，隨著工藝過程與設(shè)備的日益復(fù)雜，以及對工藝可靠性的要求不斷提高，使得開發(fā)和研究新的制造技術(shù)、表征與優(yōu)化現(xiàn)有工藝、確定與驗(yàn)證工藝改進(jìn)效果，以及保持良好的工藝性能等都依賴于工藝設(shè)備的統(tǒng)計(jì)表征和優(yōu)化。另外，在電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隨著集成度的不斷提高，單片集成電路規(guī)模幾何增長，加之電路形式日益復(fù)雜，造成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真成本過大，因此在電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)了基于元模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也就是利用統(tǒng)計(jì)模型來近似系統(tǒng)性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)

2、系，進(jìn)而進(jìn)行電路優(yōu)化。該方法可以提高電路優(yōu)化設(shè)計(jì)效率、解決常規(guī)EDA軟件在電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的局限性。因此，微電路制造與設(shè)計(jì)中越來越依賴于統(tǒng)計(jì)表征與優(yōu)化技術(shù)。 本文以統(tǒng)計(jì)表征和優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)研究為目的，研究中將結(jié)合具體工藝設(shè)備與電路對象。通過對具體對象的統(tǒng)計(jì)表征與優(yōu)化引出技術(shù)上的關(guān)鍵共性問題，進(jìn)而對其進(jìn)行研究，使本文所得的結(jié)論不局限于所討論的具體工藝與電路。本文系統(tǒng)研究了微電路工藝設(shè)備與電路設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型構(gòu)造與系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，

3、研究工作主要包含兩個(gè)方面，一是微電路工藝設(shè)備的表征與優(yōu)化技術(shù)研究，二是電路元模型的構(gòu)造方法、以及基于元模型的電路優(yōu)化方法研究。其主要工作與成果總結(jié)如下： 1．本文系統(tǒng)總結(jié)了工藝設(shè)備統(tǒng)計(jì)表征與優(yōu)化基本理論，提出了對工藝設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表征的技術(shù)途徑與實(shí)現(xiàn)方法；它使本文討論的工藝表征與優(yōu)化方法并不局限于所討論的具體工藝，對其他工藝同樣具有指導(dǎo)意義。 2．針對微電路制造中的典型工藝“熱氧化”與“多晶等離子刻蝕”，分別建立了各自面向

4、實(shí)際制造的統(tǒng)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了工藝優(yōu)化與控制。在“熱氧化”工藝的統(tǒng)計(jì)表征中，采用篩選試驗(yàn)和響應(yīng)曲面試驗(yàn)兩步試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，僅通過31次試驗(yàn)就定量表征了“熱氧化”工藝輸出結(jié)果與輸入?yún)?shù)的關(guān)系，尤其是建立了熱氧化薄膜的空間均勻性的統(tǒng)計(jì)模型。利用該模型，確定了最優(yōu)的工藝條件，改善了熱氧化工藝的空間均勻性。 在“多晶硅等離子刻蝕”的統(tǒng)計(jì)表征中，提出采用D最優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決由于試驗(yàn)因素的水平數(shù)的不均衡造成采用傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法不能制定合理試驗(yàn)方案的

5、問題；設(shè)計(jì)可以同時(shí)測量多個(gè)工藝輸出的測試圖形，以較少的試驗(yàn)成本實(shí)現(xiàn)等離子刻蝕工藝的表征與優(yōu)化。 3．在“熱氧化”工藝的統(tǒng)計(jì)表征中，分析了由于“批工藝”特點(diǎn)造成的工藝參數(shù)的“嵌套”(nested)這一微電路制造中的典型問題。本文研究了由工藝參數(shù)的嵌套以及測量的固有屬性造成的統(tǒng)計(jì)回歸模型的誤差不服從同方差假設(shè)的問題；提出了采用響應(yīng)值的變換來穩(wěn)定方差的方法，并引入Box—Cox數(shù)據(jù)變換方法來確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變換的最佳形式。該方法不僅使試驗(yàn)

6、數(shù)據(jù)滿足Gauss—Markov假設(shè)中的等方差假設(shè)，并且使基于變換后數(shù)據(jù)所建立的模型能更好的反映試驗(yàn)信息。 4．在微電路工藝設(shè)備的統(tǒng)計(jì)表征中引入廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)，分別建立了熱氧化工藝與等離子刻蝕工藝關(guān)鍵工藝輸出參數(shù)熱氧化膜厚度、刻蝕速率的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。與傳統(tǒng)的回歸模型和其它網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，GRNN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造與優(yōu)化更為簡易，在對具有高度非線性特性的等離子刻蝕工藝表征中表現(xiàn)出更好的預(yù)測能力。 5．以“模型的近似”的

7、觀點(diǎn)，分析了電路元模型(metamodel)的本質(zhì)意義以及與基于物理試驗(yàn)的回歸模型的區(qū)別。本文系統(tǒng)比較了工程應(yīng)用中主要的4種試驗(yàn)設(shè)計(jì)類型與3種建模方法，基于模型的誤差分析，發(fā)現(xiàn)將Kriging建模方法與拉丁超立方抽樣相結(jié)合能夠獲得最佳的近似模型，該組合是構(gòu)造電路元模型的合適方法。 6．對Kriging建模的數(shù)學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)研究，指出Kriging建模的關(guān)鍵是相關(guān)函數(shù)參數(shù)的確定；在此基礎(chǔ)上，提出了利用遺傳算法確定Kriging模

8、型相關(guān)函數(shù)參數(shù)的方法，相對于傳統(tǒng)方法，解決了在構(gòu)造Kriging模型時(shí)相關(guān)函數(shù)參數(shù)的確定依賴于優(yōu)化的起始點(diǎn)問題。針對基于元模型的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，提出了利用Kriging元模型優(yōu)化電路系統(tǒng)的優(yōu)化策略，引入遺傳算法(Genetic algorithms,GA)解決了基于Kriging元模型的系統(tǒng)優(yōu)化問題。通過帶隙基準(zhǔn)電壓源的優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證了方法的有效性。 此外，在本課題的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠