片上系统及其光刻技术变革

2011-02-17崔圆圆北京邮电大学电子信息工程专业北京100876

中国科技信息 2011年17期

关键词：光刻集成电路芯片

崔圆圆北京邮电大学电子信息工程专业，北京 100876

片上系统及其光刻技术变革

崔圆圆北京邮电大学电子信息工程专业，北京 100876

集成电路的发展已经进入片上系统（SOC）时代。本文系统地分析了集成电路的发展路径，着重讲述IP核及其重用技术。相应于集成电路的发展，芯片制造的光刻技术也发生了重大的变革，加工精度日益提高。

片上系统；IP重用；光刻技术

1.集成电路的跨越

从最早的集成电路，到中规模集成电路（MSI），再到大规模集成电路（LSI），乃至超大规模集成电路（VLSI）,后者集成的晶体管数目，已经达到100,000，促进了PC的广泛应用而带来信息产业的第一次革命。而这些都是陈旧的知识了，著名的摩尔定律已经把我们送入了特大规模集成电路（ULSI）的时代。在一日千里的集成度发展，离不开日益精细的半导体器件加工。

伴随着制造工艺的不断推进，IC芯片设计者将越来越复杂的功能集成在单一的芯片上，集成电路（IC）逐渐转变为集成系统（IS），实现了整体功能的跨越。

2.认识SOC

2.1 SOC是什么

集成电路加工工艺的飞速发展，为芯片的性能扩展了无限可能。面对数量过亿的晶体管，如何把它们发挥到极致，做到“更小、更快、更省电”，是设计师们面临的主要问题。另一方面，数目庞大的芯片也增加了设计难度，毕竟不能每次都从头开始。正如软件领域面向对象技术（OOT）的产生一样，在芯片设计领域也迫切需要可以能实现一定功能的具有封装的模块，缩短开发周期，降低工作量，集中精力于创新的部分而不是重复的工作，以在最短的时间内推出新产品。

单片系统就是在这样的技术背景和要求下被提出来的。单片系统又称为系统级芯片SOC（System On Chip）。前一个名称强调系统是在一个硅片上实现，即系统的集成方式。后一个名称强调电路的能力，即在一个硅片上实现的是一个具有复杂功能的系统。SOC在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，实现一个系统的功能。它在ASIC（专用集成电路）的基础上发展起来，却与ASIC完全不同，具有很多独特的优点。SOC实现的一个系统的功能，速度快、集成度高、功耗低。同时，由于多种功能的集成，整机成本和体积都大大降低，加快了整机系统更新换代的速度。它的这些优点正好顺应了通信、电脑、消费电子产品向轻、薄、短和低功耗发展的方向，对于移动通信、掌上电脑和多媒体产品的生产厂商有非常大的吸引力，市场需求自然就很大。SOC的发展正带动信息产业的第二次革命。美国、日本和欧洲许多国家的各大半导体公司纷纷加大对SOC生产线的投资力度，建立新的SOC生产线。

2.2 IP重用

前面已经提到过，SOC的善于利用已有的开发成果以减少重复性的工作，专注创新。而实现这一目标的就是SOC的关键技术之一，IP核及其复用技术。

2.2.1 IP核的定义

为了加快SOC的芯片设计，提高SOC的设计效率和可靠性，人们把经过验证的IC电路以模块的形式加入SOC芯片的设计，从而简化整个设计过程，缩短设计时间。这些已验证的可重复使用的IC模块就成为IP（Intellectual Property，知识产权模块，有别于计算机网络中的IP，后者为互联网协议的简称）。IP也称为系统宏单元、虚拟部件（VC）或芯核，这种设计方法就称为基于IP模块的SOC设计，或基于核的SOC设计。

早在上个世纪，IP核技术就已经开始起步了。1994年Motorola发布的Flex Core系统(用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器)和1995年LSI Logic公司为Sony公司设计的SOC,可能是基于IP核完成SOC设计的最早报导。进入20世纪后，这一技术开始飞速发展。

2.2.2 IP核的特征

1)可读性

这一点对软核与固核尤为重要。适用方一般不对硬核作进一步的设计优化，都是直接使用。而对于软核与固核，使用者需要对IP核进行进一步的综合或模拟。因此，必须对调用的IP核的功能、算法等有比较详细的了解，以便正确使用和充分发挥其优点。一方面，IP核的提供者要采取恰当的方法描述设计，增强可读性；另一方面要采取必要的措施保护知识产权。

2)设计的衍展性和工艺适应性

IP核在定型后，必须具有一定的应用范围，即能适应不同的设计应用。当它被移植到其他的领域时，不经过重大的修改就能发挥功用。另一方面，采用新工艺时，IP核也能也微小的改动适应它。

3)可测性

在移植时，对IP核功能和性能的测试是必不可少的。不仅能对其进行单独测试，还要在它的应用环境中整体测试，考察IP核于整个系统的协调性。

4)端口定义标准化

由于使用IP核的第三方并不唯一，其对端口的设计必须有一个严格的定义，包括：端口信号的逻辑值、物理值、信号传输功率、传输机制等。已有一些机构在制定开放的标准、IP核的功能评价和验证的方案等等，诸如虚拟插座联盟（VSIA）和专用领域芯核开发协会（RASIPD）等等。

2.2.3 IP重用的优势与设计流程

通过基于核的设计方法，芯片的设计从以硬件为中心转向以软件为中心。芯片的设计不再是门级的设计，而是在IP模块和IP接口级的设计。IP模块的重用，除了能缩短SOC芯片设计的时间外，还能降低设计和制造成本，提高可靠性，因此将会给IC产业和电子工业带来可观的商业利益。并引起IC产业结构的变革。可重用的IP模块越多，设计过程的效率就越高。

IP模块是预先设计好的，并经过了预先的验证，设计者可以把注意力集中于整个系统，而不必考虑各个模块的正确性和性能，从而简化系统设计，缩短设计时间。

3.光刻技术新进展

3.1 极紫外线光刻技术

在深亚微米时代，芯片尺寸进一步缩小，对传统的光刻和蚀刻技术提出了很高的要求。传统曝光光源在不断改进，并利用波前工程（如移相掩膜、离轴照明移相光源、空间滤波、表面成像技术等）进一步挖掘光学光刻系统的潜力，使IC技术提早进入了千兆位和千兆赫时代。然而主流的光学光刻技术已接近0. 13um的极限。这是目前业界最精密的工艺，采用248nm的远紫外线。为了突破0.1um，必须采用157nm以下的极紫外线光刻技术EUVL。

准确地说，EUVL是光波波长为11～14nm的极端远紫外光波，经过周期性多层薄膜反射镜入射到反射掩膜上，再通过有多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射掩膜上的集成电路几何图形投影成像到硅片上的光刻胶中，形成集成电路所需要的图形。EUVL与157nm光学光刻的原理类似都是用短波波长光和反射投影成像，但是EUVL与光刻最大的区别是它的成像必须在真空中。因为物质在EUV波段表现出的性质与在可见光和紫外光波段截然不同，EUV辐射被所有物质包括气体强烈吸收。但是，还是有很多要解决的关键技术：

1)极紫外光光源，主要有同步辐射和激光等离子体两种；

2)新的透镜材料和超精密光学元件加工技术；

3)更高的数值孔径光学系统；

4)解决移相和光学临近效应矫正等波前工程技术；

3.2 电子束光刻

电子束光刻技术具有极高的分辨率，其直写式曝光系统甚至可以达到及格纳米的加工精度，但效率低就成为了一个致命的缺点。一些实验室已经将光学分步重复投影的高效率与电子束的高分辨率结合起来，以解决这一问题。

3.3 X射线光刻

X射线光刻技术是以同步辐射环产生的X射线作为曝光光源的接近式曝光系统。它的主要优点是：

1)焦深大，光刻图形侧壁陡直；

2)无需成本昂贵的光学投影系统；

3)无散射地产生曝光图形；

4)对掩膜上的缺陷不敏感；