内容导读：

摘要：
　　通过在第四层和更高层金属上使用对角的互连线，X体系结构芯片的互连线和通孔分别减少20%和30%。这种结构获得了相对于垂直的曼哈顿结构更有效的芯片，同时还能保持第一到第三层金属上的IP兼容性并保留现有的底层基础结构.

---

　　X结构背后的原理并不新鲜－古希腊人早就清楚：两点之间直线距离最短。正如Cadence Design Systems的营销主管，X创新计划负责人，Ketan Joshi的描述：“如果要从芯片一角的a点走到另一角的b点，使用垂直的曼哈顿设计的话，你通常会先沿着垂直金属层走，然后沿着水平金属层走。如果换成走对角线，路程将短很多，即互连线短很多（图1）”。这就是X体系结构背后的想法－X表示的是：沿着“东北”方向的45°线和沿着“西北”方向的线看起来像一个X。

　　对角的布线使设计中的互连线和通孔分别减少20%和30%。这种设计思想保留了下面的金属层(第一到第三层)的曼哈顿结构－垂直的和水平的－以保持与IP、标准单元、内存和设计者在下面的金属层上任何已经做好的或者将要做的东西相兼容。第四层和第五层金属分别旋转45°和135°，这样为布线提供了八个自由度－下面的金属层各自有四个自由度，可以在上面朝北、朝南、朝东和朝西，除了这四个自由度外，上层金属上现在还可以沿45°角前进。Joshi说：“在一个曼哈顿城市的栅格中，街道的走向向北、向南、向东和向西。如果我们建造高架街道，它们可以向东北、向西北、向东南和向西南，你可以在城市的不同点之间更简单更高效的旅行。”

　　互连线和通孔
　　互连线的减少有相当多的好处。从180纳米和130纳米工艺开始，多数芯片是由互连线决定的。芯片的性能取决于互连线的长度、根数和拥挤程度。如果互连线减少20％，芯片性能会提高，尺寸会缩小，实际的布局因为有更多布线方法而得到增强。即使在布线拥挤的曼哈顿设计中，X结构也可以在一定程度上使之得倒缓解。
　　更少的通孔不是意味着绕过双切口通孔或类似的东西。切口完好通孔仍然可能存在，只不过层间跳跃的数目减少了。一些地方的器件制造商抱怨通孔导致了可制造性和产量上的问题，尤其是当几何尺寸减小时。更少的互连线跳跃不仅对降低金属线电阻率有帮助，而且对提高产量也有帮助。
　　在曼哈顿结构中，芯片性能随面积增加而增加（图2）;可是如果使用X结构的设计，结果是芯片面积相同但性能更高，或性能相同但面积更小。一些人认为X结构可以在性能和面积上提供相当于半个工艺节点的优势。在0.15微米技术中采用X结构的设计，其性能如同0.13微米的设计。

　　X结构的制造
　　X结构对于设计者是一个非常好的创意，但对于制造是怎么样的呢？供应链是否能够支持并实现这个结构呢？
　　2001年，X创新计划建立了发展蓝图，并形成了一个联盟以促进IP供应商一直到芯片制造的合作。制定的目标是：2002年确认制造可行性－从掩模版到晶圆的供应链;到2003年，至少实现硅的测试芯片;到2004年，计划生产第一批量产芯片;到2005年，有使用这种结构的产品。在非常良好的合作气氛下，通过所有成员在开放合作方式下的工作，X创新计划得以按照蓝图一步步实现，为2004年Toshiba的量产芯片作好了准备。
　　X创新计划现在包括42个成员公司。它是一个名副其实的供应链，汇集了各主要代表公司，从IP与设计实现到光掩膜版和晶圆制造以及检测。即使是代工厂方面，也有多数主要公司的代表。总的来说，在X联盟中整个供应链已经非常齐全了。到2002年，制造领域80%的公司已经加盟。
　　到时候，可以建立了多个供应链－180纳米和130纳米。接着的问题就是：“它是否可以制造？” 而注意的焦点在晶圆制备中的掩膜版和数据准备，这牵涉到所有领先的供应商。在掩膜版的写入中，那些做光栅和矢量电子束的公司针对这个问题开展工作，同时还有检测和测量方面的供应商、掩模版制造商以及领先的光刻公司。
　　Jim Jordan，BindKey公司（DuPont Photomasks 子公司）市场和商业发展部副经理，认为这个案例是非同寻常的，涉及的所有事情都按预期平稳向前发展。 “在早些时候，DuPont Photomasks曾经讨论过掩模版写入的问题－我们知道有时候角度是一个问题;后来使用新的激光写入设备和工艺，以及新的矢量写入电子束设备，我们证实了在掩膜版制造方面相对于曼哈顿式的几何结构而言并没有什么特别的困难。从成本的观点看，我们确实正在为同样的生产流程寻找更有效的结构－没有任何附加的供应链成本”。　

   由由ASML和Nikon最初完成大规模生产这种结构的芯片。
　　这块芯片是一款130 nm、270万门的设计。Toshiba建立了两个平行的项目来确定哪一种结构的性能最好：一种为采用曼哈顿结构的同样的设计;另一种采用X结构。几个月的设计周期后，曼哈顿设计要满足计划的芯片性能有一些困难，而X结构设计不仅达到要求，还超过了162MHZ的性能目标，达到了180MHZ，且逻辑区的面积减少10%。因而Toshiba取消了曼哈顿结构的设计，在生产中采用X结构。仅仅是移动第四和第五层金属层，Toshiba的芯片速度增加了11%，尺寸减小了10%，这与理论预计也是一致的。

　　Toshiba的芯片是一个曼哈顿和X结构共存的极好例子。他们采用了一部分曼哈顿IP模块，子模块采用X结构设计。这是如何使用X结构的一个经典范例：一些已经建立的IP作为杠杆，一些新的底层设计结构被建立，然后这些模块被组合起来。现在没有人会怀疑X结构和曼哈顿结构能否在制造和生产环境中共存。

　　不仅从设计的观点－布局布线、参数提取、设计实现中的所有特殊步骤－而且从制造方面、掩膜版数据准备、OPC、晶圆等方面，Toshiba的经验也表明完整的design-to-silicon生产流程已经具备了。 器件制造商归纳认为：除了布局布线、参数提取需要以不同的方式来实现外，制造X结构的其他所有步骤都与曼哈顿结构一样，并可以使用标准的设备来制造。
　　当2004年有了X结构的硅产品的时候，人们的注意力转移到良率上了。Cadence与PDF Solutions合作研究了X结构对芯片良率的影响。他们使用曼哈顿和X结构来实现同样的一个设计。这项研究表明，采用X结构的设计在同样的晶圆面积上可以生产的裸芯片增多12-13％，因为用X结构的裸芯片尺寸减小10%。同样，因为X结构的实现中面积减少、线拥挤度降低、通孔更少，使其总良率不仅得到增加，而且每个晶圆上的合格裸芯片增加15-23%。这是一个新结构设计固有提高产量的范例。
　　位于台湾新竹的TSMC和UMC现在也是联盟的成员。UMC已经准备接受X结构，用于180、150和130 nm节点的生产。TSMC已经验证了它的130 nm设计规则，现在正在和精选出来的客户进行合作。总的来说，集成器件制造商（IDM），例如STMicroelectronics和Toshiba，已经通过他们的芯片工厂验证了X结构，而TSMC和UMC则为无晶圆厂的芯片设计公司提供支持。
　　如今有相当多的关于DFY（针对良率的设计）的讨论－设计必须与制造紧密结合以提高良率。直到现在，大部分的负担还在制造上;在掩膜版和晶圆制造上，人们改进工艺以提高良率。在X结构之前，很少有设计者展示出能够显著提高良率的方法。

　　它可以被缩小吗？
　　X结构已经是现实了－它可制造并已经在生产中得到证明，它的性能、面积和良率都非常不错。现在的问题是：它是否可被缩小－是否只适用于130、90nm，还是可以用于65nm及更小的工艺？Cadence与Applied Materials合作制造了一块65nm的测试芯片。他们使用Applied Materials的标准制造工艺检测了最小宽度和最小间距结构（图3）。
　　Mike Smayling，Applied Materials Maydan技术中心首席技术官，解释了他们已完成的X结构90和65纳米测试芯片的工作。“我们采用Cadence设计的结构，然后在Applied Materials和其他一些IDMs及晶圆代工厂流片，然后观察制造中的各个环节。在2004年都是好消息，我们没有发现什么特别的问题，并且测试结构的电学数据与同样尺寸曼哈顿结构布局具有可比性。我们执行了整个设计流程，布局布线、OPC及掩膜制备都没有什么问题。曾有一些小担忧，例如CD-SEM是否能够测量非垂直的线，不过修正后的软件可以让我们的设备执行任何角度的测量。”
　　Smayling接着提到，当他们开始建造这些结构的时候，准备好所有子块对其他技术而言不是什么大变化。“X结构所需的改变非常少，”他说，“我们曾经担心测量、检测以及掩膜版制造出现问题，后来证明它们在标准设备配置上全都没有问题。”
　　Applied Materials现在继续与其他合作者一起致力于X结构。他们仍在进行65nm测试芯片的工作，其中包含了X结构。这些结构被期望实现早期的45nm金属线和间距。X结构得到关注后，似乎每个人都沿着演化的轨迹－而不是革命的，也没期望出现惊奇。“我们在做的一个65nm的工作是使用Alta 4700激光写入器来制造掩膜版，”Smayling说，“X结构美妙的地方在于它并没有引入新的材料，也没有限制材料在晶圆上的使用”。毫无疑问，使用现有的标准技术，X结构和曼哈顿结构一样可以缩小到65纳米节点。
　　今年，第一个X结构的产品问世。设计者正在认真考虑在以后的设计中采用这种结构，成员公司也推出实现这种结构的解决方案，因此我们将看到更多采用这种结构的产品。最初的产品极有可能是针对消费者的。这种结构可以应用到整个市场中去，人们也渴望在消费市场中获得X结构的面积减少带来的利益。在无线领域，X结构的面积和功耗的降低也非常有吸引力。
　　减少互连线是X结构的主要好处，但是它只对某一类设计有用。例如，如果一个IDM的设计90%是存储器，只有很少的逻辑模块，尽管逻辑部分可以因为X结构获得一些改进，但是总得来说IDM更换设计结构并不会有显著的效果。如果逻辑部分在性能和面积方面存在瓶颈，那么X结构会很有帮助。
　　在基础设计软件方面，有两个主要的方面需要开发新的技术。一是布线（因为有新的布线方式）和布局（因为利用布局的改变有新的布线资源）;二是参数提取，因为有对角的布线方式，现在要求能够提取其中的寄生参数。在EDA方面，无论是考虑OPC还是DRC/LVS规则，大多数EDA技术是非常相似的。所有现有的技术和设备都可以用于X结构。
　　毫无疑问，X结构已经准备好开始黄金发展期。通过X创新计划，工业巨头做出了很大地努力来寻找不足和弱点，评估结果是非常让人信服的。目前的问题可能就是如何用CAD工具有效地实现X结构，使得它的设计像它的制造一样不费力气。Cadence和其他联盟成员正致力于此。

---

作者话
看起来，X结构不仅是全面的成功，而且在考虑固定设备投资的情况下其经济代价最小，能成为生产中的主流结构。然而非常奇怪的是，大多数联盟成员谢绝了关于这篇文章的采访。只能猜测可能有一份重要的公告正在制定中，或许在你读这篇文章的时候它就发布了。

标签：

来源:半导体国际 作者:Alexander E. Braun 时间:2005/7/7 0:00:00