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寄存器传输级(漫谈集成电路的结构和组成)

先来讲一讲,为啥大家都说芯片里有成万上亿个晶体管?晶体管是什么东东?感兴趣的可以看看这一部分。

一、纸上谈IC

一般的,我们用由上而下的层级来认识集成电路,这样便于理解,也更有条理些。

(1)系统级

以手机为例,整个手机是一个复杂的电路系统,它可以打电话、可以玩游戏、可以听音乐、可以哔--。它由多个芯片以及电阻、电感、电容相互连接而成,称为系统级。(当然,随着技术的发展,将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术)

(2)模块级

在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源,有的负责通信,有的负责显示,有的负责发声,有的负责统领全局的计算,等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域,都聚集着无数人类智慧的结晶,也养活了很多公司。

(3)寄存器传输级(RTL)

那么每个模块都是由什么组成的呢?以占整个系统较大比例的数字电路模块(它专门负责进行逻辑运算,处理的电信号都是离散的0和1)为例。它是由寄存器组合逻辑电路组成的。

所谓寄存器就是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构,它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。

现实中,我们需要时钟来衡量时间长短,电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度,电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作,履行义务。

组合逻辑呢,就是由很多“与(AND)、或(OR)、非(NOT)”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡,各带一个开关,只有两个开关都打开,灯才会亮,这叫做与逻辑。

一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。

图中的三角形加一个圆圈是一个非门,旁边的器件是一个寄存器,D是输入,Q是输出,clk端输入时钟信号。

(4)门级

寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的,把它再细分为与、或、非逻辑,便到达了门级(它们就像一扇扇门一样,阻挡/允许电信号的进出,因而得名)。

(5)晶体管级

无论是数字电路还是模拟电路,到最底层都是晶体管级了。所有的逻辑门(与、或、非、与非、或非、异或、同或等等)都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观,达到最底层,满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

早期的时候双极性晶体管(BJT)用的比较多,俗称三极管。它连上电阻、电源、电容,本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样,可以用它构成各种各样的电路,比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL(Transistor-Transistor Logic)电路。BJT的电路符号长这个样子:

后来金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的出现,以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外,基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的,由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下:

如上所述,在实际工业生产中,芯片的制造,实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。

现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了,从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。

基本上,按照“晶体管->芯片->电路板” 的顺序,我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

二、IC的制造

想直接看芯片制造的可以直接空降至此。

下文中的光刻机主要指步进式和扫描式光刻机。

1. 首先我们知道,光刻的大致流程是,一个晶圆(wafer)(通常直径为300mm)上涂一层光刻胶,然后光线经过一个已经刻有电路图案(pattern)的掩膜版(mask or reticle)照射到晶圆上,晶圆上的光刻胶部分感光(对应有图案的部分),接着做后续的溶解光刻胶、蚀刻晶圆等处理。然后再涂一层光刻胶,重复上述步骤几十次,以达到所需要求;

2. 简化结构请看下图。掩膜版和晶圆各自安装在一个运动平台上(reticle stage and wafer stage)。光刻时,两者运动到规定的位置,光源打开。光线通过掩膜版后,经过透镜,该透镜能够将电路图案缩小至原来的四分之一,然后投射到晶圆上,使光刻胶部分感光。

3. 一块晶圆上有很多die,每一个die上都刻有相同的电路图案,即一块晶圆可以出产很多芯片。一个die典型的尺寸是26×32mm。光刻机主要有两种,一种叫做stepper,即掩膜版和晶圆上的某一个die运动到位后,光源开、闭,完成一次光刻,然后晶圆运动使得下一个die到位,再进行一次光刻,依此类推。而另一种光刻机叫做scanner,即光线被限制在一条缝的区域内,光刻时,掩膜版和晶圆同时运动,使光线以扫描的方式扫过一个die的区域,从而将电路图案刻在晶圆上(见下图(b))。scanner比stepper的优势在于,可以提供更大的die的尺寸。其原因在于,对于一个固定尺寸的圆透镜,比如直径32mm的圆(指投射后的区域大小),其允许透过的光线的区域尺寸是受限的。若采用stepper的step-and-expose方式进行光刻,一个die的区域必须能被包含在直径32mm的圆中,因此能获得的最大的die的尺寸为22×22mm;若采用scanner的step-and-scan方式,透镜能够提供的矩形区域长度可以到26mm(26×8mm)甚至更长,将光缝设置为这个尺寸,使用扫描的方式便可以获得26×Lmm的区域(L为扫描长度)。区域示意见下图(a)。同样的透镜在stepper下可以实现更大区域的意义在于,当你需要生产尺寸较大的芯片的时候,换一个更大的透镜的费用是昂贵的。

4. Scanner的step-and-scan过程的示意图如下:

5. 为了使每层的电路相互之间不发生干涉,需要对上下平台进行精密运动控制。扫描时上下平台应处于匀速运动阶段。目前最小的层叠误差小于2nm(单个机器内)或3nm(不同机器间)。

6. 光源的波长一般为365、248、193、157甚至13.5 nm(EUV, Extreme Ultraviolet)。因为光刻过程受到衍射限制,光源波长越小,能够做出的芯片尺寸就越小。

7. 在透镜和晶圆之间加入折射率大于1的液体(如水),可以减小光线波长,从而提高NA(数值孔径)和分辨率。这种光刻机叫浸润式(immersion)光刻机。

8. 世界上做高端光刻机的厂家主要有ASML、Nikon和Canon。佳能大概已经不行了。Nikon每年开个会叫做LithoVision。

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