集成电路特征尺寸缩小到100纳米以下之后,多层互连线寄生电容、寄生电阻引入的延时开始超过MOSFET栅电容延迟,成为影响电路总体延时更主要的因素,进而成为制约深纳米技术高速芯片性能提高的瓶颈之一。进行互连线版图寄生参数提取(Layout Parasitic Extraction, LPE),精确获得其等效寄生参数(电阻、电容等),并应用于布线后电路仿真(Postlayout Simulation)愈来愈重要。制备深纳米VLSI芯片的互连线层次逐渐发展到目前的8层、9层甚至10层以上。日趋复杂的工艺使得不同晶圆间、或同一晶圆不同位置处的互连线工艺差异愈加明显,互连线等效寄生参数受此影响将在一定范围内产生明显波动。建立互连线寄生参数统计学模型,精确表征工艺波动对互连线寄生参数乃至延迟的影响,并最终实现电路精确的布线后仿真成为现今半导体技术的重要研究课题。本论文研究40nm CMOS工艺多层互连寄生参数提取,意图获得工艺波动相关的互连寄生参数表征与提取方法,优化相应的统计学互连工艺剖面实现技术。为评估各层金属互连线间及层间寄生效应与工艺差异的关联性,本文自主设计了五种模型测试结构,其中包括：1、大面积梳状金属耦合线间寄生电容测量结构,用于评估光刻、刻蚀工艺对金属层厚度及宽度的影响；2、交叉的相邻层次金属大面积梳状层间寄生电容测量结构,用于提取金属层间电介质层的厚度及介电常数；3、四端开尔文金属电阻结构,用于测量并准确提取寄生电阻；4、奇数反相器组成环形振荡器、且反相器之间通过较小尺寸线间耦合金属电容相连,用以校验金属线间寄生电容相关的提取规则准确性；5、反相器环形振荡器,且反相器间通过较小尺寸不同层间金属电容相连,用于校验金属层间寄生电容的提取规则准确。本论文研究中,采用40nm CMOS工艺的大马士革铜互连工艺制备了M1-M7共7种不同金属层互连线线间耦合寄生电容,M1&M2～M6&M7共6种层间寄生电容以及7种用于验证寄生参数提取规则的环形振荡器电路。研究中,对上述制备结构逐一进行了在片测量和统计分析,结果表明工艺波动对互连寄生电容的影响特征为：互连线线间耦合电容与层间耦合电容均受工艺差异较大影响,数值波动范围较大；采用相同工艺流程的线间耦合电容存在较大相关性,M2-M7各层线间耦合电容测量值之间相关性均超过77%；不同工艺流程的金属层,其线间耦合寄生电容相关性较小,采用单大马士革工艺的M1层线间耦合电容测量值与其它层线间电容之间的相关性几乎都小于50%；而各层间电容的相关性则更低,几乎均低于20%。上述结论不仅为提取工艺波动相关的互连线寄生参数时提供了依据,同时也表明调整互连工艺参数时还需考虑可能引起的相关性变化。目前互连线电阻电容寄生参数提取普遍采用互连工艺剖面(Interconnection Technology Profile, ITP)分析技术,该方法只能提取互连线上各节点的理想化寄生电阻、寄生电数值,无法评估和模拟工艺波动影响引入的参数差异,且缺乏电学测量数据支持。本文对上述典型互连工艺剖面和角互连工艺剖面提取方法进行了优化,创新性地提出一种可表征各层金属互连线间寄生电容间相关性的多层互连寄生参数提取方法,首次在互连寄生电容参数提取过程中加入电容相关性分析,自主完成了将优化的新流程嵌入完整集成电路设计流程的工作,通过对不同类型环形振荡器进行蒙特卡洛仿真,校验了该寄生参数提取方法的准确性。本论文使用Synopsys公司的电磁场效应仿真软件Raphael针对上文所述的两种寄生电容测量结构,在场效应仿真器中构建了3D仿真结构,并采用随机漫步数值模拟算法对其进行了仿真,校准ITP文件中工艺参数数值,最终实现不同层次的寄生电容结构仿真值与测量值之间差别均小于10%。根据ITP文件生成抽取规则,各寄生电容结构提取得到的电容提取值与测量统计中值偏差小于10%。根据寄生电容统计数据提取考虑寄生电容之间相关性的工艺波动相关ITP文件,分析各金属层次线间寄生电容之间的相关性,采用主成分分析法对数据相关性进行分析,计算得到M2-M7线间寄生电容结构主成分的载荷系数以及考虑相关性影响的线间电容分布标准修正差数值。据此对电容结构对应的互连层次工艺参数建立统计模型。通过ITP文件生成抽取规则,对环形振荡器校验电路进行抽取得到包含寄生参数统计模型的布线后仿真电路。最终,参数提取之后的电路蒙特卡洛仿真结果统计分布与实际电路测量的统计分布非常吻合。其中负载M1线间耦合电容的33级环振输出信号周期测量中值与蒙特卡洛仿真中值之间差别仅为2.54%,测量标准差与仿真标准差之间差别仅为3.65%；负载M1和M2之间金属层间耦合电容的33级环振相应数据分别为-1.7%和8.22%；负载M2线间耦合电容的11级环振相应数据分别为9.16%和9.89%。所有环形振荡器校验电路进行蒙特卡洛仿真得到的仿真统计中值与测量数据中值偏差小于10%,仿真高斯分布3σ与测量数据3σ偏差小于10%,均符合半导体产业要求。本文基于国有40nnm工艺平台,自主建立并完善了40nm CMOS工艺波动相关的多层互连线RC寄生参数提取方法,取得的突出成果如下：1、自主创建了40nm工艺互连寄生参数提取的测试结构和电路,可用于提取互连寄生参数和参数提取准确性的校验。2、自主提出并实现了对典型ITP文件及角ITP文件制作方法的优化方法和两者的完整提取流程,创造性地将3D互连寄生参数仿真与寄生电容结构测量校验嵌入互连寄生参数提取流程,提高了ITP文件中各工艺参数的准确性。3、采用主成分分析法对互连线线间耦合寄生电容的相关性进行分析,且实现了包含线间耦合寄生电容相关性的互连RC寄生参数提取方法。本文进行的工艺相关寄生提取方法经过了电路性能测量验证,环形振荡器电路布线后蒙特卡洛仿真值与测量数据统计结果之间的拟合误差达到了产业技术要求。因此,本文提出并实现的工艺波动相关的互连寄生参数提取方法不仅可应用于高端芯片的精准统计仿真,减小“过设计”,同时对互连工艺参数的调整和设定具有重要的指导意义。