为什么互联成为advanced-node芯片的性能瓶颈。
众所周知,先进的芯片包含数十亿晶体管——这是一个令人难以置信的,令人兴奋的是可以肯定的——但你知道大规模集成芯片(约一个指甲大小的)可以包含~ 30英里的互连多层水平“线”?这些线函数像高速公路或管道运输电子,晶体管和其他组件连接到对方,使其功能。正如你可以开车跑车速度(至少部分)取决于高速公路堵塞,芯片性能取决于移动信号的能力和权力通过这些电线。事实上,作为特征尺寸的缩小(扩展)仍在继续,现在互联成为速度瓶颈在今天最先进的芯片。让我们花一点时间学习。
互连层
在芯片制造的第一部分(或front-end-of-line),单个组件(晶体管、电容器等)制造晶片。back-end-of-line,这些组件相互连接分配信号,以及电力和地面。根本就没有空间在芯片表面创建所有这些连接在一个层,因此芯片制造商构建垂直水平的互联。而简单的集成电路(ic)可能有几个金属层,复杂的集成电路可以有十个或更多层布线。
互联接近晶体管需要很小,因为他们附加/加入组件本身很小,常常紧紧挤在一起。这些低级线-称为本地互联通常薄而短的长度。全球互联更高的结构;他们旅行不同区块之间的电路,因此通常厚,长,相隔。互连水平之间的联系,称为通过,允许信号和功率传播从一层到另一个。
互连材料
几十年来,铝互联是行业标准。要创建这些互联,一层铝沉积。然后,金属图案蚀刻,绝缘材料沉积在导电线分开。在1990年代末,芯片制造商转向铜、导电性能比铝——有点类似于一个无懈可击的煎锅加热速度比全铝锅。
高导电性线改善集成电路的整体性能。此外,铜线可以做得更小,跟上晶体管大小缩放。铜线也更耐用和可靠的。然而,创造铜互联要复杂得多,开发全新的制造计划技术变化。绝缘的铜互连过程始于沉积(介质)材料,例如二氧化硅,紧随其后的是战壕的创建。战壕里就充满了铜(使用化学/电镀技术),并删除多余的形成平面进行后续处理。
RC的挑战
多年来,晶体管在规模大幅下降。作为晶体管变得越来越小,互联也不得不规模大小。今天,我们的传统铜互联正面临着重大障碍进一步扩展,这障碍被称为RC的挑战。让我们暂停这两个变量来定义。
材料的电阻(R)描述了如何难移动电流通过一个特定截面的材料,这是一种功能材料的取向和邻近的原子。电容(C)是指材料储存电荷的能力。电阻和电容的乘积(RC)需要低创建以来芯片设备速度快成反比钢筋混凝土(RC =低更快的设备)。
看着“R”的挑战,高阻值线携带的电流量少,减缓设备的速度。这是因为高阻力降低了电子流程,所以需要更长的时间来建立最小电荷(电子)或晶体管的阈值电压”“门”打开。而晶体管速度继续提高比例(减少电子必须旅行的距离),互连扩展面临的挑战是不要成为一个性能提升的瓶颈,失去通过减缓电子晶体管之间的流动。
在“C”方面,电容是一个函数的金属线周围的绝缘介电材料和它们之间的距离。更高的电容降低电子和可以创建不必要的“相声”信号(电压变化)在一个金属线影响信号在相邻的线,导致设备故障。除了线之间保持合适的距离,“性能”电介质材料的发展(电容材料是一个函数的“k值”)大大降低了电容。今天的介电材料平均k = 2.5左右,而k = 4.2纯二氧化硅。各种方法存在实现较低的值;然而,结果ultra-low-k电影变得越来越脆弱,k值减少,用于生产带来额外的挑战。
扩展解决方案和未来的发展方向
解决这些问题为进一步扩展,该行业继续识别方法来管理RC,特别专注于金属。铜已成功用于多种设备,所以该行业投资重大努力开发新的方法来延长其使用。创建铜线涉及一系列层——通常是一个氮化钽屏障(防止金属扩散到介质),一个衬钽(改善屏障坚持金属),铜种子层(启动金属填充/电镀),最后,大部分核心进行铜金属。一个关键领域的发展重点是识别策略改善屏障班轮/种子层,可以降低阻力,使小行通过创建散装铜填充的“空间”。
一个策略是让高阻隔障碍和衬薄。然而,这些层的进一步变薄的机会是有限的。都需要连续(影片中的空白或空洞)为了达到良好的可靠性性能。这需要一个最小厚度约为1.5 nm为每一层2 nm,导致总厚度3 - 4海里两侧的槽结构。
潜在的替代研究是一种新型的“自发形成的障碍能够与介质表面,形成相邻铜线,允许更多的铜。同时,新的衬垫由钴和钌正在开发替代钽。他们坚持更好的铜种子,使其更适形(消除空洞)和薄。了,新技术来实现紧密的铜填充的小沟。在5纳米技术节点,然而,铜作为主要导电金属最终将不得不被替换为导电材料,不需要这些超薄线的一个障碍。
虽然大部分注意力放在金属,也有一些调查介质方面的改进。圣杯是尽可能降低介电常数,最终被k = 1,这是空气。的确,小说发展使用“气隙”已经使用,但制造和生产成本的挑战都是重要的。因此,互连的许多思想进行扩展涉及新金属的开发,设计,和过程,这些新技术的“管道”肯定会更小,更快的连接成为现实。
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你好,
如前所述的使用超低介电2.5 k值限制最大电压降低金属吗?
为什么互联间距(说M1 net1 net2 M1)取决于电压