大的变化微小的互联

半导体的基本组件之一互连正在发生根本变化,芯片规模低于7海里。

一些最显著的变化发生在最低的金属层。更多和更小的晶体管挤到死,和处理更多的数据和移动开关芯片或跨包,使用的材料,使这些互联结构本身,整个方法利用这些结构正在发生变化。

在最基本的层面上,面临的挑战是确保不同层次之间的联系。铜的问题是,自130年以来一直被用于这些互联使用纳米,在很大程度上已经失去动力。所以在10纳米,英特尔开关。当地的互连layers-M0 M1-incorporate钴,铜,在以往的技术。剩下的层使用传统的铜金属。其他人正在探索这个想法。

一般来说,其他和传统铜仍在使用backend-of-the-line(BEOL)层。钴主要用于衬垫,尽管钌日益活跃。其他材料也被探索以及更新的技术称为埋rails。

“有一些非常有趣的互连的发展,包括使用不同的材料和淀积技术对于那些材料,”大卫说炸,计算产品的副总裁林研究/ Coventor。“这包括薄内衬、壁垒和种子层,随着更多的保形沉积技术。我们也看到不同的金属电阻较低的使用,和不同的组合衬垫,壁垒,种子和填充,最终得到一个较低的总阻力。也有许多发展持续与电介质和降低“K”,但让他们机械地稳定。有一个巨大的电镀与沉淀与工作化学汽相淀积、新材料和新工艺技术被应用于新材料。”

这是比听起来要复杂得多。铜的一个问题在于,在最先进的节点,它可以扩散到周围的材料。需要一个阻挡层,但随着比例继续5和3 nm,这些屏障层需要薄。但他们也需要导电。

大多数这些屏障层保形人造材料,甚至将他们有足够的一致性已成为问题。

“你想阻挡层在1或2 nm,所以对于那部电影是可靠的必须是非常一致的,”詹姆斯•兰姆表示企业技术研究员布鲁尔科学。“任何小错误会导致戏剧性的效果。如果这种障碍是1纳米厚,你失踪几个原子在一个地方,这不再是一个障碍。这是被推至接近完美。你必须有那部电影没有空隙和漏洞的极端纳米结束。”

任何偏差会影响可靠性和最终产量。“如果你有一个障碍电影或非常薄的绝缘体,你还得通过热循环,”羊说。“如果你有变化,这些成为分离的种子或导致可靠性问题在100000年或100万年周期,例如。会有热循环在操作任何设备。种子点会导致破裂或裂缝或迁移。我们有新金属的原因之一是他们比铜更容易迁移。这是一个钴和钌的优点。但当铜第一次与双波纹的过程中,导致各种各样的问题。有两个大的介绍。一个是CMP,使铜过程所需的工作。 At that point, it was a dirty process because you were smearing copper around on your wafer. You couldn’t let that contaminate the rest of the wafer because if you got copper in the oxide or silicon it would migrate, making the devices defective. So that had to be isolated from the whole process, which included barrier layers. Those are typically not very conductive. And that’s causing a problem now. The barrier layers cause enough resistance to be a problem once you start doing a shrink. That’s where cobalt and ruthenium fit in. They both limit any kind of migration, so they can act as barriers or as the primary conductors. Cobalt has been around for awhile. Ruthenium is pretty new.”

其他选项包括钼和镍,以及一些合金。

任何新材料引入制造业是一个缓慢的过程。铸造厂是极其保守他们的流程进行更改时,那保守主义已经在每一个新节点随着价格的上升,以及芯片使用的时间更长在安全至上的应用,如汽车AI中,或在关键任务应用程序内部的超大型数据中心。

“每个新材料可能会导致一个问题,”托马斯说Brozek,高级研究员PDF的解决方案。“当人们第一次开始引入钴backend-of-the-line金属化,他们开始做衬垫钴来提高可靠性。但与此同时,CMP不兼容。有腐蚀,以及其他影响你从来没有看到。花了很长时间给互联带来钴。IBM在谈论钴为接触10至15年。但当时真的是没有一个好的理由与钴制造。缩放的现在,因为钨接触再也不仅仅是钨,钨在接触孔的数量比要小得多,因为衬的要求。”

衬垫或没有衬垫
摆脱衬垫可以节省整个过程步骤,但它也会影响整体设计,可能这些昂贵的芯片的整体可靠性。

“衬垫和障碍通常有高电阻,”Brozek说。“每个人都在寻找新材料,不需要衬垫,这就是推动新材料,如钴和钌。你仍然需要一个成核钴层和衬里。barrier-less钌,你可以试试,或衬管是一个气急败坏的层生长钌。它可能会增加钌班轮。钌比铜电阻,但是如果你考虑到你不需要一个势垒金属,这实际上是更好的。不过,可靠性尚未被证实。目前还不清楚将如何表现在所有布局配置。更容易有直线和填充金属。你可以说你所有的线是直和完美。 But can you afford zig-zags and two-directional patterning and fill that with metal. Will this new metal behave the same way? Will CMP behave the same way? All of that has to be investigated. And some of the failure modes only show up in mass production where you can observe tool reliability and worse corners and many other interesting things. Having a way of testing that in production, and after processing the chips, is a task the fabs are fighting.”

这也增加了总成本的设计,而不是所有的公司都在最先进的工作节点认为这是一个必要的费用。

“这些互联的使用将取决于应用程序,”林的油炸说。“你可能会看到碎片通过几年的应用程序。高可靠性的要求,衬垫,障碍,和种子必须是绝对完美的,所以该行业将为这些应用程序可能使用更传统的材料。会有其他应用程序没有同样的可靠性规范,我们可以使用更高级的互连材料,推动难一点的厚度来获得更好的性能。你会看到诸如钌衬垫或互联使用钴、钼和其他材料,包括不同电介质。你可以赚更多的多孔结构,维持较少的机械应力和显示改进的电容。在这个领域的研究已经取得了重大成就,这些新的互连技术很可能会实现,但它可能是非常特定于应用程序的。”

下一代互联
新材料只是互联战略的一部分。经理在2019年欧洲半导体,Werner Boullart等离子蚀刻集团在Imec,介绍埋rails的力量释放路由空间在当地的互联。这些电力rails埋下“金属0”以腾出空间。

图1:CFET埋铁路。来源:Coventor

晶体管规模很好理解,但电线不这样做,这就是为什么对某些关键功能厚线并不少见。但在最先进的节点,没有厚的电线。结果是更高的阻力,产生热量,增加红外下降。埋葬的铁路移动整个过程从middle-of-the-line front-end-of-the-line,根据Boullart,进而允许轨道高度降低,同时允许更高的轨道高度降低。

根据Imec,钌线的长宽比7和18海里的一个关键维度作为电力铁路,这是孤立在FEOL氧化过程,而不是一个金属1层。结果是低电阻率(8.8µohms /厘米)。研究机构也使用减去12海里钌金属腐蚀过程线的长宽比3.8和线电阻低于500欧姆/µm,它针对3 nm设计。

但也有一些反复出现的这个主题,可以产生重大影响性能和密度。实际上,这种方法就像挖隧道下晶体管。部门发现,在Imec在这个项目中,红外从埋钌权力rails与后端功率输出7 x比埋力量rails前端红外交付。(详细的结果纸在2019年12月IEDM。)

然而,有一些惊喜。布莱恩•克莱恩校长研究工程师手臂说,使用自来水细胞用于连接鳍可以作为其他设备的位置堵塞。“我们还发现,我们使用的设计工具来开发这些设备以奇怪的方式,”克莱恩说。“特别是,下面的工具没认出权力运行rails金属0。”

结论
连接在金属1和0都成为性能的瓶颈和制造业面临的挑战,促使铸造厂和研究小组在最先进的工作节点利用新材料、新方法进行路由的信号,和全新的方案如何制造这些互联移动到哪里。

但这只是一种类型的互连。未来的故事将显示,互联更像一堆不同的技术,一些操作在不同的抽象级别和完全不同的特性和设计参数。

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