芯片制造商在晶體管技術(shù)上持續(xù)取得進展

業(yè)界需要新的互連解決方案和新工藝

才能前進到下一個工藝節(jié)點

芯片制造商可能會找到解決方案

但如果找不到

傳統(tǒng)芯片尺寸縮減可能束手無策

在最新的工藝節(jié)點上，芯片制造商在晶體管技術(shù)上持續(xù)取得進展，但是這些結(jié)構(gòu)之間的互連方案卻一直步履蹣跚，跟不上晶體管技術(shù)發(fā)展的步伐。

芯片行業(yè)正在研究幾種技術(shù)來解決互連方面的瓶頸，但是，許多解決方案仍然處于研發(fā)階段，可能需要很長的一段時間才會出現(xiàn)-可能要等到2納米工藝節(jié)點時，互連技術(shù)才能取得突破，2納米預(yù)計將在2023/2024某個時間點推出。此外，新的互連解決方案需要使用新型材料和昂貴的工藝。

在2納米推出之前，半導(dǎo)體行業(yè)需要繼續(xù)解決先進工藝芯片中的幾個問題：晶體管、觸點和互連。其中，晶體管位于結(jié)構(gòu)底部，并充當信號的開關(guān)?；ミB則位于晶體管的頂部，由微小的銅連線組成，這些連線用于將電信號從一個晶體管傳輸?shù)搅硪粋€晶體管。今天的先進工藝芯片的層數(shù)為10到15層，每層都包含一個復(fù)雜的銅連線方案，層與層之間使用微小的銅過孔進行連接。

另外，晶體管結(jié)構(gòu)和互連通過一層被稱為中線（MOL）的層連接。MOL層由一系列微小的接觸結(jié)構(gòu)組成。

BEOL（銅互連層）和FEOL（晶體管級）

來源 |Wikipedia

不到十年前，在20nm和16nm / 14nm時，先進節(jié)點的晶體管問題開始涌現(xiàn)，那時，晶體管中的銅互連變得更加緊湊，導(dǎo)致芯片中出現(xiàn)不必要的阻容（RC）延遲。簡而言之，使電流流過微細的電線變得更加困難了。隨著時間的推移，芯片制造商現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)⒕w管和互連同步縮放到到最新的節(jié)點-7nm / 5nm上。但是，在每個節(jié)點上，復(fù)雜的互連方案在芯片延遲中所占的比例變得更大了。

“隨著晶體管尺寸的縮小，連接它們的金屬線也必須在多層互連堆棧的整體高層架構(gòu)中同步縮小，” Lam Research大學(xué)項目主管Nerissa Draeger解釋說。“隨著相繼幾代工藝的發(fā)展，這些本地局部互連已變得越來越狹窄，越來越接近，導(dǎo)致現(xiàn)在的銅互連面臨著進一步擴展的巨大挑戰(zhàn)。例如，進一步減小線寬或線的高度將大大增加線的電阻?！?/p>

這其中的許多問題都可以追溯到銅互連線的制造方式上。為此，芯片制造商在制造工廠中使用了所謂的銅雙鑲嵌工藝（雙大馬士革工藝）。該工藝由IBM在1990年代后期開發(fā)出來，在將近25年前，芯片制造商開始在220nm / 180nm上使用雙鑲嵌工藝，并從那時起隨著工藝尺寸縮放這項該技術(shù)。

隨著時間的推移，芯片制造商一步步將這項技術(shù)推進到更先進的節(jié)點上，并計劃將其擴展到3nm。但是，在3nm以下，RC延遲問題可能會變得更加棘手，因此，業(yè)界可能需要一種新的解決方案。

找到下一代互連技術(shù)至關(guān)重要。互連技術(shù)需要與晶體管技術(shù)的創(chuàng)新齊頭并進，它們對于芯片工藝尺寸的縮放至關(guān)重要。但是，如果業(yè)界無法開發(fā)出適用于2nm的下一代具有成本效益的互連方案，那么，我們今天一直進行的芯片縮放可能會停滯不前。

目前正在研發(fā)中的面向2nm及以下工藝節(jié)點的的各種新型互連技術(shù)包括：

混合金屬化或預(yù)填充。這將不同的鑲嵌工藝與新材料結(jié)合在一起，以實現(xiàn)更小的互連，從而實現(xiàn)更低的延遲

半大馬士革工藝。一種更徹底的方法，使用減成蝕刻，實現(xiàn)微小的互連。

超級通孔、石墨烯互連和其他技術(shù)。隨著行業(yè)不斷尋找銅的替代金屬，這些都在研發(fā)階段。

每一項建議的研發(fā)技術(shù)都面臨各自的挑戰(zhàn)。因此，芯片行業(yè)在雙面下注，一方面尋求互連技術(shù)的突破，另一方面也在尋找替代方案來開發(fā)新的系統(tǒng)級設(shè)計。先進的封裝就是替代方案之一，而且，無論芯片工藝尺寸的縮放進展地如何，它都有望持續(xù)受到業(yè)界的關(guān)注。

從鋁到銅

在芯片制造過程中，晶體管是在晶圓廠的晶圓上制造的。該過程在晶圓廠的前端（FEOL）中進行。然后，在被稱為后端（BEOL）的單獨fab設(shè)施中形成互連層和MOL層。

直到1990年代，芯片中集成的都是基于鋁材的互連。但是，到了1990年代后期，芯片工藝尺寸接近250nm時，鋁開始無法承受更高的器件電流密度。

因此，到了1990年代后期，從220nm / 180nm節(jié)點處開始，芯片制造商從鋁遷移到了銅。據(jù)IBM稱，銅互連的電阻比鋁低40%，這有助于提高芯片的性能。

1997年，IBM宣布了世界上第一個基于220nm技術(shù)的銅互連工藝。這種被稱為雙鑲嵌的工藝成為在芯片中制造銅互連的標準方法，并且至今仍在使用。

最初，芯片只有六層互連。當時，據(jù)WikiChip稱，180nm器件的金屬間距為440nm至500nm。相比之下，到了5nm節(jié)點時，芯片由10至15層互連組成，金屬間距為36nm。根據(jù)TEL的定義，金屬間距是指互連線之間的最小中心距。

雙大馬士革工藝的制造過程

（a）通孔圖案化；（b）通孔和溝槽圖案化；（c）阻擋層沉積和銅種子層沉積；（d）電鍍銅并通過化學(xué)機械拋光去除多余的銅；（e）覆蓋層沉積。資料來源：維也納工業(yè)大學(xué)/微電子研究所

在雙大馬士革工藝中，首先將低k值介電材料沉積在器件的表面上。基于碳摻雜的氧化物材料，使用低k膜將器件的一部分與另一部分絕緣。

下一步是在介電材料中圖案化微小的通孔和溝槽。每一代節(jié)點的通孔/溝槽變得越來越小。因此，在當今的先進工藝芯片中，芯片制造商正在使用極紫外光刻（EUV）來對通孔進行圖案化。

在未來的節(jié)點上，通孔將需要具有多重圖案化能力的EUV?！癊UV多重圖案化的挑戰(zhàn)與ArFi（193nm浸沒）實施過程中所遇到的挑戰(zhàn)非常相似，” Brewer Science的高級技術(shù)專家Doug Guerrero說。“如果使用ArFi或EUV，則機器對機器的覆蓋將變得至關(guān)重要。從材料的角度來看，多重圖案化過程總是涉及到對平面化層的整合。平面化材料也稱為間隙填充材料。它們必須以高縱橫比填充并平坦化非常狹窄的溝槽?！?/p>

在該步驟之后，圖案結(jié)構(gòu)被蝕刻出來，形成通孔和溝槽。然后，使用物理氣相沉積（PVD），將基于氮化鉭（TaN）的薄阻隔材料沉積在溝槽內(nèi)。然后，將鉭（Ta）襯里材料沉積在TaN勢壘上方。最后，使用電化學(xué)沉積（ECD）將通孔/溝槽結(jié)構(gòu)填充銅。該過程在每一層重復(fù)多次，從而形成銅布線方案。

這個工藝一直有效，直到20nm時開始出現(xiàn)問題。那時，互連中的銅電阻率呈指數(shù)級增長，從而導(dǎo)致芯片延遲。因此，從22nm和/或16nm / 14nm開始，芯片制造商開始進行一些重大更改。在互連方面，許多人用鈷代替了Ta作為襯里，這有助于降低互連中的電阻。

同樣，在這些節(jié)點上，芯片制造商也從傳統(tǒng)的平面晶體管轉(zhuǎn)向了下一代finFET，后者以更低的功率提供了更高的性能。

然后，在10nm處，英特爾又采取了降低芯片電阻的措施。英特爾的10nm工藝具有13個金屬層。英特爾的前兩個本地互連層分別稱為金屬0（M0）和金屬1（M1），其中鈷是導(dǎo)電金屬，而不是銅。其余層使用傳統(tǒng)的銅金屬。

其他芯片制造商在M0和M1層上依然使用銅材料。但是，到了10nm / 7nm時，在MOL中的微小觸點上，所有芯片制造商都從鎢材料轉(zhuǎn)移到了鈷材料，這也可以幫助降低線路電阻。

如今，領(lǐng)軍的芯片制造商已經(jīng)將finFET和銅互連擴展到了5nm?？梢钥隙ǖ氖?，業(yè)界對可以實現(xiàn)新的更快的系統(tǒng)的先進工藝芯片的需求將一直存在。

“毫無疑問，即使對于非技術(shù)市場，能夠以比現(xiàn)在快10倍的速度進行計算不僅具有商業(yè)上的實用性，而且在競爭上也是必須的。”D2S首席執(zhí)行官Aki Fujimura表示，“對更高計算能力的需求幾乎沒有盡頭?！?/p>

不過，展望未來，仍有一些令人不安的跡象?？s小晶體管帶來的好處在每一代新節(jié)點上越來越小，而且RC延遲問題始終陰魂不散。

IBM先進BEOL互連技術(shù)研究高級經(jīng)理Griselda Bonilla表示：“在7nm和/或5nm節(jié)點上，銅互連將可能由氮化鉭阻擋層和鈷作為襯里。隨著尺寸的縮小，線路電阻增高比例擴大，占總延遲的比例更高。電阻的增加受到多種因素的驅(qū)動，包括導(dǎo)體橫截面的減少、高電阻率勢壘和襯里層不隨工藝縮放而減少而導(dǎo)致的銅體積百分比進一步降低，以及由于在表面和晶界處的有損電子散射而導(dǎo)致的電阻增加。”

邁向3nm及更小的工藝尺寸

不過，這并沒有阻止半導(dǎo)體行業(yè)前進到下一個節(jié)點上。如今，領(lǐng)先的芯片制造商正在研發(fā)5nm、3nm / 2nm甚至更小工藝尺寸的產(chǎn)品。

三星計劃在3nm工藝上采用下一代晶體管，即柵極環(huán)繞FET。臺積電計劃將finFET擴展到3nm，但將在2nm上轉(zhuǎn)向柵極環(huán)繞FET。

當鰭片寬度達到5nm（等價于代工廠的3nm節(jié)點）時，F(xiàn)inFET接近其物理極限。柵極環(huán)繞FET具有比finFET更好的性能、更低的功耗和更低的泄漏電流，但它們制造起來更困難且成本更高。

根據(jù)Imec的說法，3nm時金屬間距介于21nm-24nm之間。而在3nm處，芯片制造商將繼續(xù)在現(xiàn)有材料上使用傳統(tǒng)的銅雙鑲嵌工藝，這意味著RC延遲將仍然在芯片中造成問題。

“隨著我們轉(zhuǎn)向3nm節(jié)點，我們將看到采用多重圖案化的EUV繼續(xù)以小于25nm的關(guān)鍵間距進行BEOL縮放，” KLA工藝控制解決方案總監(jiān)Andrew Cross說?！斑@種持續(xù)的間距縮放將繼續(xù)影響線路和通孔電阻，因為阻隔材料的厚度縮放比間距的縮放幅度要小。”

在研發(fā)領(lǐng)域，業(yè)界將繼續(xù)探索各種新技術(shù)，以幫助解決3nm及更低工藝尺寸的這些問題及其他問題?！霸诖蠹s24nm的金屬間距上，我們預(yù)計將開始出現(xiàn)一些有利的設(shè)計和材料變化，” Onto Innovation戰(zhàn)略產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Scott Hoover說?！斑@包括完全自對準的通孔、掩埋的電源軌、超級通孔集成方案以及更廣泛地采用釕襯里?！?/p>

電源軌是在BEOL中開發(fā)的，它是一種精細纖巧的結(jié)構(gòu)，旨在處理晶體管中的供電網(wǎng)絡(luò)功能。Imec正在開發(fā)下一代埋入式電源軌（BPR）技術(shù)。在FEOL中開發(fā)的BPR埋在晶體管中，以幫助釋放互連的路由資源。

另外，業(yè)界還一直在探索在互連件的襯里中使用釕材料。IBM的Bonilla說：“釕以改善的銅潤濕性和填充間隙而聞名。但是，盡管釕具有優(yōu)異的銅潤濕性，它還具有一些其他的缺點，例如電遷移壽命短和化學(xué)機械拋光等單元工藝難題。這限制了釕在半導(dǎo)體行業(yè)的使用。”

即將出現(xiàn)其他新的、更有希望的互連解決方案，但它們可能要等到2023/2024年芯片制造工藝尺寸達到2nm時才會出現(xiàn)。根據(jù)Imec的路線圖，半導(dǎo)體行業(yè)可以從當今的雙大馬士革工藝過渡到2nm的稱為混合金屬化的下一代技術(shù)。將來將采用半大馬士革和其他方案。

晶體管路線圖（上圖）和互連技術(shù)（下圖）

信源 | Imec

所有這些都取決于幾個因素，即開發(fā)新工藝、材料和工具的能力，當然，成本也很關(guān)鍵。

“沒有人認為當前的方案可以延續(xù)很多代?！?Lam Research計算產(chǎn)品副總裁David Fried表示：“現(xiàn)在的擴展是通過逐步改進和大量工作來完成的。未來將有更重大的變化，但我預(yù)計它們將在不斷發(fā)展的改進中源源不斷地引入。顯然，可靠性為縮小層間介電常數(shù)k設(shè)置了一些主要障礙，但隨著技術(shù)的進步，這個障礙一直在繼續(xù)降低。隨著填充材料的變化，對襯里的要求也將發(fā)生變化。與這些材料相關(guān)的工藝將在不同的集成方案（如雙大馬士革、單大馬士革、完全自對準的集成，甚至是減成金屬化）上呈現(xiàn)出相應(yīng)的優(yōu)勢和劣勢。經(jīng)過幾代之后，BEOL的外觀可能會與今天完全不同，但我希望，這種更改是所有這些要素協(xié)同增量更改的結(jié)果。”

盡管如此，對于間隔最緊密的層，今天的銅雙大馬士革工藝仍將繼續(xù)擴展到一定程度?！半p重大馬士革一直是個問題。不過，只要我們的間距超過26nm或24nm，這仍然幾乎是銅和鈷的領(lǐng)域。臨界點是當您的間距低于20nm時。在20nm間距以下，存在許多隱患。不僅僅是電阻的問題，還涉及可靠性問題，尤其是對于銅更是如此?！?/p>

因此，大致在2nm節(jié)點所對應(yīng)的間距上，業(yè)界希望遷移到稱為混合金屬化的技術(shù)上。有人稱其為預(yù)填充過程。該技術(shù)可能會應(yīng)用在間距最緊密的層中，但不太關(guān)鍵的層間將繼續(xù)使用傳統(tǒng)的銅工藝。

在基本的混合金屬化工藝中，您將介電材料沉積在襯底上。然后，使用傳統(tǒng)的大馬士革工藝形成微小的銅通孔和溝槽。然后，繼續(xù)重復(fù)該過程并形成微小的通孔和溝槽。

但是，混合金屬化并沒有采用雙大馬士革工藝，“使用的是選擇性沉積通孔金屬?！?Tokei解釋說?！般f、釕或鎢是可以用來填充微小通孔的金屬。最后，您完成了常規(guī)的銅金屬化，可以將其視為單大馬士革工藝銅金屬化?！?/p>

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，單大馬士革工藝并不是一個新工藝?！半p大馬士革工藝比單大馬士革工藝更智能，更具成本效益。隨著工藝尺寸的降低，雙大馬士革工藝的挑戰(zhàn)在于要在更高和更狹窄的線路和通孔組合開口中實現(xiàn)無缺陷的銅金屬化。” IBM研究團隊的主要成員Takeshi Nogami說。“單大馬士革工藝可以使這兩種圖案分別進行金屬化，使其更容易縮小寬度和間距尺寸，并提高線寬比，以減緩電阻的上升?！?/p>

總而言之，混合金屬化在互連中使用兩種不同的金屬。Imec的Tokei說：“對于2nm而言，這是很有意義的。與雙大馬士革工藝相比，通孔電阻更低?？煽啃詫岣?，同時，可以保持線路中銅的低電阻率?！?/p>

但是，混合金屬化存在一些障礙。有幾種不同且困難的沉積技術(shù)可以實現(xiàn)間隙填充過程。M.H.說：“挑戰(zhàn)在于如何在不損失選擇性的情況下實現(xiàn)良好的通孔填充均勻性。”臺積電（TSMC）研究員Lee在IEDM上發(fā)表論文指出，“此外，通孔側(cè)壁是無障礙的，通孔材料與底層金屬之間的潛在相互作用可能會導(dǎo)致可靠性問題。”

什么是半大馬士革？

如果業(yè)界可以解決這些問題，則可以在2nm節(jié)點時插入混合金屬化層。但是，如果要繼續(xù)降低芯片尺寸，業(yè)界可能需要適用于2nm以下的另一種解決方案。

面向2nm以下的下一步解決方案就是許多人所說的半大馬士革工藝，這是一種針對最緊密的金屬間距的一種更徹底的技術(shù)。半導(dǎo)體行業(yè)之所以正在研究半大馬士革工藝，有以下多種原因。

TEL技術(shù)團隊高級成員Robert Clark說：“在雙大馬士革工藝的結(jié)構(gòu)中，線路的數(shù)量是銅晶粒生長的限制因素。相反，如果金屬線是通過沉積金屬層形成的，可以退火，然后通過蝕刻形成金屬線，那么晶粒尺寸就可以增加。但對于銅來說，這種工藝很難實現(xiàn)。在這種工藝中，像釕這樣的金屬更容易處理，因此它有可能使人們所說的半大馬士革工藝成為可能。”

半大馬士革工藝的應(yīng)用起點是20nm以下的間距?！拔覀兊哪繕耸菍氪篑R士革工藝推進到18nm間距以下，從工藝節(jié)點的發(fā)展路線來看，18nm間距大概是從現(xiàn)在起四五年后?！?Imec的Tokei說?！皩τ谝粋€用于銅金屬化和雙大馬士革工藝的邏輯芯片晶圓廠來說，半大馬士革工藝是破壞性的?；旌辖饘倩梢宰匀坏厝谌刖A廠的工藝流程，但是您需要一些用于預(yù)填充本身的新功能。對于其余部分，您可以重用晶圓廠中的所有東西?！?/p>

半大馬士革需要使用新工具的不同工藝流程。簡而言之，半大馬士革可實現(xiàn)帶有氣隙的微小通孔，從而減少了芯片中的RC延遲。

該技術(shù)依賴于使用減成蝕刻工藝的金屬圖案化。減成蝕刻不是新技術(shù)，用于較舊的鋁互連工藝。但是，要在2nm以下實施該技術(shù)存在一些挑戰(zhàn)。

“半大馬士革工藝始于對通孔進行圖案化并將其蝕刻到介電膜中。然后，用金屬填充通孔并對其進行過填充，這意味著金屬沉積將繼續(xù)進行，直到在電介質(zhì)上方形成一層金屬為止。然后對金屬進行掩膜和蝕刻，以形成金屬線?！?Tokei在最近的博客中說。

在實驗室中，Imec設(shè)計了一種基于64位Arm CPU架構(gòu)的12金屬層器件。該器件具有兩層使用釕材料的金屬互連，金屬線之間形成氣隙。

Tokei說：“氣隙顯示了將性能提高10%的潛力，同時將功耗降低了5%以上。使用長寬比高的導(dǎo)線可以將供電網(wǎng)絡(luò)中的IR壓降降低10%，以提高可靠性?！?/p>

但是，半大馬士革離實用還遠未準備就緒。Tokei在最近的一篇論文中說：“半大馬士革方案存在許多潛在的問題，例如對準、金屬蝕刻、LER、泄漏、芯片封裝相互作用、密封環(huán)兼容性、等離子體破壞和可布線性?！?/p>

寫在最后

其他互連技術(shù)也在研發(fā)中，例如超級通孔、金屬-石墨烯混合互連以及銅的替代品。

但是可以肯定的是，由于下一代技術(shù)面臨若干挑戰(zhàn)，因此業(yè)界寧愿盡可能延長銅雙大馬士革工藝的壽命。

到了某個時候，半導(dǎo)體行業(yè)可能必須使用下一代互連技術(shù)。芯片制造商可能會找到解決方案。但是，如果找不到，那么傳統(tǒng)的芯片尺寸縮減可能就束手無策了，這將迫使業(yè)界尋找替代解決方案來實現(xiàn)更加先進的芯片。

這種情況已經(jīng)發(fā)生了。業(yè)界對先進封裝的呼聲越來越高，這是一種替代方案，可以開發(fā)先進的系統(tǒng)級設(shè)計，并可能進行更多定制。

不過，到目前為止，半導(dǎo)體行業(yè)正在同時研究傳統(tǒng)的芯片縮放方法以及先進封裝，以開發(fā)新的系統(tǒng)級設(shè)計。至少在可預(yù)見的將來，這兩種方法都是可行的。

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