從銅到釕、從上部到底部，芯片內連接新發展
2023-06-21 11:03:56 悅智網“大約20到25年來，銅一直是互連的首選金屬。然而，我們正在接近銅縮放尺度放慢的臨界點。”IBM的高級互連縮放尺度首席工程師克里斯?彭尼（Chris Penny）在2022年12月的IEEE國際電子器件大會（IEDM）上說，“這為替代導體提供了機會。”
釕是一種領先的候選者，因為，作為橫截面最小的互連，它可以提供比銅更好的導電性。但將一種金屬換成另一種金屬并不簡單，這些新的互連需要不同的形狀和更高的密度，還需要更好的絕緣，以免信號削弱電容帶走所有優勢；甚至是互連的走向也會發生變化。
用于構建銅互連的舊規則不適用于釕。銅互連使用的是所謂鑲嵌工藝。首先，芯片制造商使用光刻技術將互連的形狀刻蝕到晶體管上方的絕緣層中。然后，沉積一個襯墊和一種防潮材料，防止銅原子漂移到芯片的其他部分，避免損毀整個芯片。然后，用電鍍到晶圓上的銅填充溝槽。實際上，可能會填充太滿，因此必須擦去多余的銅。
彭尼說，所有額外的材料，包括襯墊和防潮材料，占據了高達50%的互連體積。因此如果導電部分變窄，電阻會增加。不過，IBM和三星的研究人員已經找到了一種方法，構建緊密間隔、低電阻釕互連，這種互連不需要襯墊或防潮材料。這種工藝被稱為間隔輔助雙重光刻（SALELE），顧名思義，它依賴于極紫外的雙重光刻。它不是填充電介質中的溝槽，而是在金屬層上刻蝕出釕互連，然后用電介質填充縫隙。
研究人員采用高而薄的水平互連實現了最佳電阻。不過，由此增加了太多的電容。幸運的是，由于SALELE在水平互連的頂部而非下面構建過孔垂直互連，因此細長的釕線縫隙空間很容易被空氣填充，而空氣是最好的絕緣體。對于這些又高又窄的互連而言，“增加氣隙的潛在益處是巨大的……可以減少30%的線路電容。”彭尼說。
SALELE工藝“為實現1納米及以下的工藝提供了路線圖”，他說。
英特爾計劃最早于2024年將電源互連從硅表面轉移到硅底面，從下面接入晶體管。這種背面電源輸入有兩個主要優點。首先，它讓電流通過更寬、電阻更小的互連，可減少功率損耗。此外，它在晶體管上方為傳送信號互連騰出了空間，這意味著邏輯單元可以更小。
在2022年的IEEE國際電子器件大會上，微電子研究中心（Imec）的研究人員宣布了一些方法，可以將電源網絡的端點更靠近晶體管，而且不會破壞這些晶體管的電子特性。不過他們也報告了一個有點麻煩的問題，即用在3D芯片堆疊時，背面電源可能會導致熱量聚集。
首先是好消息，微電子研究中心的研究人員發現，即使在晶體管溝道區域右側（盡管仍在其下方幾十納米）構建了功率傳輸軌道，晶體管也能正常工作。這可能意味著能實現更小的邏輯單元。
而壞消息是，在另一項研究中，微電子研究中心的工程師模擬了同一款未來CPU的幾個版本，發現了一些令人不安的問題。有些模擬采用了目前的正面電源網絡，其中數據和電源的互連都建立在硅上方的層面中。有一些則采用了背面電源網絡。其中一個是由兩個CPU面對面粘合而成的3D堆疊，底部是背面電源，頂部是正面電源。
2D CPU模擬證實了背面電源的優勢。與正面電源相比，它能夠將電源功率的損失減少一半。瞬態電壓下降也不明顯。更重要的是，CPU面積縮小了8%。然而，背面芯片最熱部分與其邊緣的溫差比正面芯片最熱部分與其邊緣的溫差增加了約45%。可能的原因是，為了保持穩定，背面電源要求將芯片削薄到需要與單獨硅片粘合。這種粘合起到了絕緣體的作用，從而將熱量困在了芯片內部。
真正的問題出現在3D集成電路上。頂部CPU必須從底部CPU獲得電源，但到達頂部的長連線產生了不良的后果。雖然底部CPU的電壓仍比正面芯片穩定，但頂部CPU的表現要差得多。而且3D集成電路的電源網絡消耗的功率超過了單個正面芯片的電源網絡所消耗功率的2倍。更糟糕的是，熱量無法很好地從3D堆疊中排出，底部最熱部分的溫度幾乎是單個正面CPU的2.5倍。雖然頂部CPU的溫度低一些，但也沒有低很多。
微電子研究中心的背面電源網絡項目負責人兼高級研究科學家陳榮梅在IEEE國際電子器件大會上告訴工程師，應當承認3D集成電路模擬有些不切實際。將兩個完全相同的CPU堆疊在一起的情形不太可能發生。（更常見的是將內存與CPU堆疊在一起。）“這并不是一種很公平的比較。”他說，但卻指出了一些潛在的問題。
關鍵詞： 芯片互連
