說(shuō)一說(shuō)半導(dǎo)體微型互聯(lián)世界里的大變化

（文章來(lái)源：EEWORLD）

當(dāng)芯片制程低于7nm時(shí)，半導(dǎo)體的基本元件之一互連線(xiàn)正在發(fā)生根本性的變化。一些最明顯的變化發(fā)生在最低的金屬層。隨著又多又小的晶體管被封裝到一個(gè)芯片上，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)被處理并在芯片上、或芯片之間移動(dòng)，用于制造這些互連的材料、結(jié)構(gòu)本身以及利用這些結(jié)構(gòu)的整個(gè)方法都在改變。

在最基本的層次上，所面臨的挑戰(zhàn)是確保不同層之間的良好連接。問(wèn)題在于，自130納米以來(lái)一直被用于互連線(xiàn)的銅在很大程度上已經(jīng)失去了動(dòng)力。因此，在10nm制程時(shí)，英特爾做出了一個(gè)轉(zhuǎn)變。本地互連層——M0和M1——與以前的技術(shù)一樣，包含了鈷，而不是銅，其余的層使用傳統(tǒng)的銅金屬。其他人也正在探索這個(gè)想法。

一般來(lái)說(shuō)，銅仍然用于其他和傳統(tǒng)的后端(BEOL)層。鈷主要用于在這里的襯底，雖然釕也獲得了重視。其他材料也在探索中，還有一種新技術(shù)叫做埋入式電源軌（buried power rails）。

這比聽(tīng)起來(lái)要復(fù)雜得多。銅的問(wèn)題之一是，在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)它可以擴(kuò)散到周?chē)牟牧?。這需要一個(gè)阻擋層，但是隨著縮放繼續(xù)到5nm和3nm，這些阻擋層需要更薄，同時(shí)也需要導(dǎo)電。這些阻擋層大多是共形的人造材料，即使讓它們具有足夠的一致性也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

布魯爾科學(xué)公司的技術(shù)研究員James Lamb:“如果你試圖在1納米或2納米處放置一個(gè)阻擋層，因此要使薄膜可靠，它必須非常一致?！比魏挝⑿〉腻e(cuò)誤都會(huì)造成巨大的影響。如果這個(gè)勢(shì)壘是1納米厚，而你在一個(gè)點(diǎn)上少了幾個(gè)原子，那它就不再是勢(shì)壘了。這被推到了近乎完美的地步。在納米尺度的最極端，你必須要有一層沒(méi)有空隙或孔洞的薄膜?！?/p>

在制造業(yè)中引進(jìn)任何新材料都是一個(gè)緩慢的過(guò)程。代工廠(chǎng)對(duì)他們的流程是很保守的。但隨著價(jià)格的上漲，以及芯片在汽車(chē)AI等安全關(guān)鍵應(yīng)用程序或超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序中使用間的延長(zhǎng)，每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)上的保守性都在增長(zhǎng)。淘汰掉襯層(liner，又稱(chēng)包覆層)可以節(jié)省整個(gè)工藝步驟，但也會(huì)對(duì)整體設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，并可能對(duì)這些非常昂貴的芯片的整體可靠性產(chǎn)生影響。

Brozek:“襯層和障礙層通常阻力很大?！懊總€(gè)人都在尋找一種不需要襯層的新材料，而這正是驅(qū)動(dòng)鈷和釕等新材料的動(dòng)力?！睂?duì)于鈷，你仍然需要一個(gè)成核層和一個(gè)襯層。對(duì)于釕，你可以嘗試做無(wú)障礙，或襯里是濺射接觸層可以對(duì)釕進(jìn)行培養(yǎng)。沒(méi)有襯層也可以培養(yǎng)釕。釕比銅更具有電阻性，但如果你考慮到你不需要屏蔽金屬，這實(shí)際上是更好的。然而，可靠性還沒(méi)有得到證實(shí)。目前還不清楚它在所有布局配置中的表現(xiàn)。用金屬填充直線(xiàn)更簡(jiǎn)單。你可以說(shuō)你所有的線(xiàn)條都是筆直完美的。你能負(fù)擔(dān)得起鋸齒形和雙向圖案，然后用金屬填充嗎?

CMP也會(huì)有同樣的表現(xiàn)嗎?所有這些都需要調(diào)查。一些失效模式只出現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)中，你可以觀(guān)察到工具的可靠性和更差的彎角，以及其他有趣的事情。在生產(chǎn)過(guò)程中，以及芯片加工后，如何對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，是晶圓廠(chǎng)正在努力爭(zhēng)取的一項(xiàng)任務(wù)。”這也增加了設(shè)計(jì)的總成本，并不是所有在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上工作的公司都認(rèn)為這是必要的開(kāi)支。

眾所周知，晶體管可以放大，但電線(xiàn)卻不能，這就是為什么對(duì)于某些重要的功能而言，較粗的電線(xiàn)并不罕見(jiàn)。但在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，已沒(méi)有空間容納更粗的電線(xiàn)。這會(huì)導(dǎo)致更高的電阻，更多的熱量，增加IR下降。根據(jù)Boullart的說(shuō)法，埋入式電源線(xiàn)將整個(gè)過(guò)程從中線(xiàn)移至線(xiàn)的前端，從而降低了軌道的高度。

Imec表示，將展弦比高達(dá)7且臨界尺寸為18nm的釕線(xiàn)作為動(dòng)力軌，在氧化過(guò)程中從FEOL處分離出來(lái)，而不是metal 1 layer。達(dá)到低電阻率(8.8μohms /厘米)。針對(duì)3 nm的設(shè)計(jì)，研究機(jī)構(gòu)會(huì)使用通過(guò)減金屬蝕刻(subtractive metal etch)的12nm釕線(xiàn)，它的長(zhǎng)寬比為3.8和低于500歐姆/μm的線(xiàn)路電阻。

這可能會(huì)對(duì)性能和密度產(chǎn)生重大影響。實(shí)際上，這種方法就像在晶體管下面挖隧道。正如Arm發(fā)現(xiàn)，在與Imec一起進(jìn)行本項(xiàng)目工作時(shí)，背面供電的埋入式釕電力軌的IR降比正面供電的埋入式電力軌高7倍。

然而，也有一些意外。Arm的首席研究工程師Brian Cline表示，使用tap cells連接到鰭上，最終可能成為其他設(shè)備的障礙?！拔覀冞€發(fā)現(xiàn)，用來(lái)開(kāi)發(fā)這些設(shè)備的設(shè)計(jì)工具會(huì)以奇怪的方式失效，特別是，這些工具無(wú)法識(shí)別metal0以下的電力軌道?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）