互連——有時是納米寬的金屬線，將晶體管連接到 IC 上的電路中——需要進行大修。而隨著芯片廠向摩爾定律的外圍邁進，互連也正成為行業的瓶頸。
“大約 20-25 年來，銅一直是互連的首選金屬。然而，我們正在達到銅的規模正在放緩的地步，”IBM 的 Chris Penny 上個月在IEEE 國際電子設備會議 (IEDM)上告訴工程師。“而且有機會找到替代導體。”
根據 IEDM 2022 上的研究報告，釕是領先的候選材料，但它并不像將一種金屬換成另一種金屬那么簡單。它們在芯片上的形成過程必須顛倒過來。這些新互連將需要不同的形狀和更高的密度。這些新互連還需要更好的絕緣，以免信號消耗電容奪走它們的所有優勢。
即使互連的位置也將發生變化，而且很快就會發生變化。但研究開始表明，這種轉變帶來的好處是要付出一定代價的。
釕、頂部通孔和氣隙（air gaps）
在銅的替代品中，釕受到追捧。但研究表明，用于構建銅互連的舊配方對釕不利。銅互連是使用所謂的鑲嵌工藝構建的。第一家芯片制造商使用光刻技術將互連的形狀雕刻到晶體管上方的介電絕緣層中。然后他們沉積了一個襯里（liner）和一個阻擋層（barrier）材料，以防止銅原子漂移到芯片的其余部分而弄臟東西。然后銅填充溝槽。事實上，它填充得太多了，所以多余的部分必須擦掉。
Penny 告訴 IEDM 的工程師，所有這些額外的東西，襯里和屏障，都會占用空間，占互連體積的 40-50%。因此，互連的導電部分正在變窄，尤其是在互連層之間的超細垂直連接中，增加了電阻。但是 IBM 和三星的研究人員已經找到了一種方法來構建不需要襯里或種子的緊密間隔、低電阻的釕互連。該工藝稱為間隔物輔助光刻蝕刻光刻（spacer assisted litho-etch litho-etch）或SALELE，顧名思義，它依賴于極紫外光刻的雙重幫助。它不是填充溝槽，而是從層或金屬中蝕刻出釕互連，然后用電介質填充間隙。
研究人員使用又高又薄的水平互連實現了最佳電阻。然而，這會增加電容，犧牲掉好處。幸運的是，由于 SALELE 構建稱為通孔的垂直連接的方式——在水平互連的頂部而不是在它們的下方——細長的釕線之間的空間可以很容易地充滿空氣，這是最好的絕緣體。對于這些又高又窄的互連，“增加氣隙的潛在好處是巨大的……多達 30% 的線路電容減少，”Penny 說。
SALELE 工藝“提供了 1 納米工藝及更高工藝的路線圖，”他說。
埋軌、背面供電
早在2024 年，英特爾就計劃徹底改變為芯片上的晶體管供電的互連位置。該方案稱為背面功率傳輸，采用功率傳輸互連網絡并將其移動到硅下方，因此它們從下方接近晶體管。這有兩個主要優點：它允許電流流過更寬、電阻更小的互連，從而減少功率損耗。它還為信號傳輸互連釋放了晶體管上方的空間，這意味著邏輯單元可以更小。
回看過去的發展，為了從 SoC 獲取電源和信號，我們通常將最上層的金屬（距離晶體管最遠）連接到芯片封裝中的焊球（也稱為凸塊）。因此，要讓電子到達任何晶體管做有用的工作，它們必須穿過 10 到 20 層越來越窄和曲折的金屬，直到它們最終能夠擠過最后一層局部導線。
這種分配電源的方式從根本上說是有損的。在路徑的每個階段，都會損失一些能量，而一些能量必須用于控制傳遞本身。在當今的 SoC 中，設計人員的預算通常允許損耗導致封裝和晶體管之間的電壓降低 10%。因此，如果我們在供電網絡中達到 90% 或更高的總效率，我們的設計就走上了正確的軌道。
從歷史上看，這種效率是可以通過良好的工程實現的——有些人甚至可能會說，與我們今天面臨的挑戰相比，這很容易。在當今的電子產品中，SoC 設計人員不僅必須管理不斷增加的功率密度，而且還要處理隨著每一代新產品的出現而以急劇加速的速度損耗功率的互連。
損耗的增加與我們制造納米線的方式有關。該工藝及其相關材料可以追溯到大約 1997 年，當時 IBM 開始用銅而不是鋁制造互連，行業也隨之發生了轉變。在此之前，鋁線一直是很好的導體，但沿著 摩爾定律曲線再走幾步，它們的電阻很快就會過高，變得不可靠。銅在現代 IC 規模上更具導電性。但是，一旦互連寬度縮小到 100 納米以下，即使是銅的電阻也開始出現問題。如今，最小的制造互連線約為20 納米，因此電阻現在是一個緊迫的問題。
它有助于將互連中的電子想象成臺球桌上的全套球。現在想象一下，將它們從桌子的一端推向另一端。少數會在途中相互碰撞和彈跳，但大多數會沿直線行駛。現在考慮把桌子縮小一半——你會得到更多的碰撞，球會移動得更慢。接下來，再次縮小它，將臺球的數量增加十倍，你就會遇到芯片制造商現在面臨的情況。真實的電子不一定會發生碰撞，但它們彼此足夠接近以施加散射力，從而破壞通過電線的流動。在納米尺度上，這會導致導線中的電阻大大增加，從而導致顯著的功率傳輸損耗。
增加電阻并不是一個新的挑戰，但我們現在看到的每個后續工藝節點的增加幅度是前所未有的。此外，管理這種增加的傳統方法不再是一種選擇，因為納米級的制造規則施加了很多限制。我們可以任意增加某些電線的寬度以對抗增加的阻力的日子已經一去不復返了。現在設計人員必須堅持某些特定的線寬，否則芯片可能無法制造。因此，該行業面臨互連電阻較高和芯片空間較小的雙重問題。
還有另一種方法：我們可以利用位于晶體管下方的“空”硅。Imec也率先提出了一種稱為“埋入式電源軌”或 BPR 的制造概念。該技術在晶體管下方而不是上方建立電源連接，目的是創建更粗、電阻更小的軌道，并為晶體管層上方的信號傳輸互連騰出空間。
要構建 BPR，您首先必須在晶體管下方挖出深溝，然后用金屬填充。在你自己制造晶體管之前你必須這樣做。所以金屬的選擇很重要。這種金屬需要承受用于制造高質量晶體管的加工步驟，溫度可達 1,000 °C 左右。在那個溫度下，銅是熔化的，熔化的銅會污染整個芯片。因此，我們對具有更高熔點的釕和鎢進行了實驗。
由于晶體管下方有很多未使用的空間，您可以將 BPR 溝槽做得又寬又深，這非常適合傳輸功率。與直接位于晶體管頂部的薄金屬層相比， BPR 的電阻可以降低 1/20 到 1/30。這意味著 BPR 將有效地允許您為晶體管提供更多功率。
此外，通過將電源軌從晶體管的頂部移開，您可以為信號傳輸互連騰出空間。這些互連形成基本電路“單元”——最小的電路單元，例如 SRAM 存儲器位單元或我們用來組成更復雜電路的簡單邏輯。通過使用我們釋放的空間，我們可以將這些單元縮小 16% 或更多，最終可以轉化為每個芯片上更多的晶體管。即使特征尺寸保持不變，我們仍會將摩爾定律更進一步。
不幸的是，看起來僅僅掩埋局部電源軌是不夠的。您仍然必須從芯片的頂部向下向這些電源軌傳輸電源，這會降低效率和一些電壓損失。
幸運的是，Imec 同時開發了一種補充解決方案以進一步改善功率傳輸：將整個功率傳輸網絡從芯片的正面移至背面。這種解決方案被稱為“背面功率傳輸”，或更通俗地稱為“背面金屬化”。它涉及將晶體管下方的硅減薄到 500 nm 或更小，此時您可以創建納米尺寸的“硅通孔”或 納米 TSV。這些是垂直互連，可以通過硅的背面連接到埋入軌道的底部，就像數百個微型礦井一樣。
3D IC的麻煩
在IEDM 2022上，Imec 的研究人員想出了一些方法來使背面電源更好地工作，方法是找到移動電源傳輸網絡端點（稱為埋入電源軌）的方法，使其更靠近晶體管而不破壞這些晶體管的電子特性. 但他們也發現了一個有點麻煩的問題，在 3D 堆疊芯片中使用時，背面電源可能會導致熱量積聚。
首先是好消息：當 imec 研究人員探索埋入式電源軌和晶體管之間需要多少水平距離時，答案幾乎為零。它需要一些額外的處理周期來確保晶體管不受影響，但他們表明你可以在晶體管溝道區域旁邊構建軌道 - 盡管仍然低于它幾十納米。這可能意味著更小的邏輯單元。
現在是壞消息：在單獨的研究中，imec 工程師模擬了同一個未來 CPU 的幾個版本。有些擁有當今使用的那種電力傳輸網絡，稱為前端電力傳輸，其中所有互連，包括數據和電源，都構建在硅之上的層中。有些有背面供電網絡。一個是兩個 CPU 的 3D 堆棧，底部有背面電源，頂部有正面。
二維 CPU 的仿真證實了背面電源的優勢。例如，與前端輸送相比，它將電力輸送的損失減少了一半。瞬態電壓降不太明顯。此外，CPU 面積縮小了 8%。然而，背面芯片最熱的部分比正面芯片最熱的部分高約 45%。可能的原因是背面電源需要將芯片減薄到需要將其粘合到單獨的硅片以保持穩定的程度。該鍵充當熱流的屏障。
研究人員測試了一個場景，其中一個帶有背面供電網絡的 CPU [底部灰色] 綁定到另一個具有前端供電網絡 [頂部灰色] 的 CPU。
真正的問題出現在 3D IC 上。頂部 CPU 必須從底部 CPU 獲取能量，但通往頂部的漫長旅程會產生后果。盡管底部 CPU 的壓降特性仍優于前端芯片，但頂部 CPU 在這方面的表現要差得多。3D IC 的電源網絡消耗的功率是單個前端芯片網絡消耗功率的兩倍多。更糟糕的是，熱量無法很好地從 3D 堆棧中逸出，底部芯片最熱的部分幾乎是單個前端 CPU 的 2.5 倍。頂級 CPU 溫度更低，但降幅不大。
不可否認，3D IC 模擬有些不切實際，imec 的Rongmei Chen在 IEDM 上告訴工程師。將兩個其他方面完全相同的 CPU 堆疊在一起是不太可能發生的情況。（將內存與 CPU 堆疊在一起更為常見。）“這不是一個非常公平的比較，”他說。但它確實指出了一些潛在的問題。
背面 PDN 和 BPR 最終將不得不做的不僅僅是有效地傳輸電子。他們將不得不精確控制電子的去向以及有多少電子到達那里。當涉及到芯片級電源設計時，芯片設計人員不希望后退多步。因此，我們必須同時優化設計和制造，以確保 BPR 和背面 PDN 優于——或至少兼容——我們今天使用的節能 IC 技術。
計算的未來取決于這些新的制造技術。無論您是擔心數據中心的冷卻費用還是每天必須為智能手機充電的次數，功耗都是至關重要的。隨著我們繼續縮小晶體管和 IC，供電成為一項重大的片上挑戰。如果工程師能夠克服隨之而來的復雜性，BPR 和背面 PDN 可能會很好地應對這一挑戰。
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