當不斷逼近摩爾定律的極限，晶片互連也有大麻煩

互連 —— 有時是將電晶體連接到 IC 上電路中的奈米寬的金屬線 —— 需要進行「大修」。而隨著晶片廠逐漸逼近摩爾定律的極限，互連也正成為業界的一大瓶頸。

在  2022 年12 月初的第68 屆IEEE 國際電子設備會議（IEDM）上，IBM 的Chris Penny 告訴工程師們，「在大約20-25 年的時間裡，銅一直是互連的首選金屬。 ）是第一大候選材料，但並不像用一種金屬換成另一種金屬那麼簡單。它們在晶片上成型的過程必須顛倒過來。這些新的連接將需要不同的形狀和更高的密度，也需要更好的絕緣性能，以免訊號消耗電容奪走它們所有的優勢。

互連的位置也注定要改變，而這種改變很快就會到來。但研究逐漸表明，這種轉變帶來的好處背後需要付出一定的代價。

釕，頂部通孔和氣隙

目前，釕是最受歡迎的銅替代品。但研究表明，用於建造銅互連的舊方法對釕並不適用。銅互連是用所謂的鑲嵌工藝建造的。第一家晶片製造商使用光刻技術在電晶體上方的介電絕緣層中雕刻出互連的形狀。然後，他們將襯墊（liner）和阻擋層（barrier）材料沉積，防止銅原子漂移到晶片的其他部分進而搞砸整個過程。然後用銅填充溝槽，通常會填得太滿，所以多餘的部分必須進行拋光擦掉。

Penny 對 IEDM 的工程師表示，包括襯墊和阻擋層在內的所有額外的東西，佔了互連體積的 40- 50%。因此，互連的導電部分在變窄，特別是在互連層之間的超細垂直連接中，導致電阻增加。

但是，IBM 和三星的研究人員已經找到了一種方法，來建立緊密間隔、低電阻的釕互連，且不需要襯墊或種子。這種工藝被稱為 spacer assisted litho-etch litho-etch（SALELE），它依賴極紫外光刻的雙重幫助。它沒有填充溝槽，而是從層或金屬中蝕刻出釕互連，然後用電介質填充縫隙。

研究人員使用超薄高密度的水平互連實現了最佳電阻，然而這又增加了電容，損失掉了好處。幸運的是，由於SALELE 構建了被稱為通孔（vias）的垂直連接方式（即在水平連接的頂部而不是下方），細長釕線之間的空間很容易有空氣進入，這是目前可用的最佳絕緣體。 Penny 表示，對於這些超薄且高密度的互連來說，增加氣隙有巨大的潛在好處，可以減少 30% 的線路電容。可以這麼說，SALELE 技術為 1 奈米及更高的製程提供了路線圖。

利用通孔走線的 PCB 板。圖源：https://www.wevolver.com/article/what-is-a-via-a-comprehensive-guide

埋軌、背面供電技術和3D 晶片

英特爾計畫徹底改變為晶片上電晶體供電的互連位置，最早能在2024 年實現。此方案稱為背面供電技術（back-side power delivery），即將供電互連網路移至矽下方，從而從下方連接到電晶體。這種方案兩個主要優點：一是允許電流通過更寬、電阻更小的互連，從而減少功率損失。二是為電晶體上方的訊號傳輸互連騰出了空間，這意味著邏輯單元可以更小。

在IEDM2022 大會上，Imec 研究人員提出了一些使背面供電更有效率工作的方法，即將供電網路的端點（被稱為埋入式電源軌）移動到更接近電晶體的地方，而不破壞這些電晶體的電子特性。但他們也發現了一個有點麻煩的問題，當用於 3D 堆疊晶片時，背面電源可能會導致熱量積聚。

但好消息是：Imec 的研究人員在研究埋入式電源軌和電晶體之間需要多少水平距離時，答案幾乎是零。即使需要額外的處理週期來確保電晶體不受影響，但研究人員稱，可以在晶體管通道區域旁邊建造軌道 —— 儘管仍然會在它下面幾十奈米。這意味著邏輯單元可能會更小。

壞消息則是：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。有些擁有如今使用的供電網絡，被稱為前端供電，其中包括數據和電力在內所有的互連都是在矽上的層中構建的。另一些擁有背面供電網絡，其中一個是由兩個  CPU 組成的 3D 堆棧，底部有背面電源，頂部有正面電源。

2D CPU 的模擬驗證了背面供電的優越性。例如與正面供電相比，它將電力傳輸的損失減少了一半，瞬態電壓下降不也太明顯。更重要的是，CPU 面積縮小了 8%。但是，背面晶片的最熱部分比正面晶片的最熱部分高出 45% 左右。這可能是因為背面供電需要將晶片減薄，且薄到需要粘合到單獨的矽片上以保持穩定。這個鍵（bond）可以阻擋熱量流動。 

真正的問題在 3D IC 上。頂部 CPU 必須從底部 CPU 獲取能量，但通往頂部的漫長傳輸會出現一些問題。雖然底部 CPU 的壓降特性仍優於前端晶片，但頂部 CPU 在這方面的表現差很多。 3D IC 的供電網路消耗的功率是單一前端晶片網路消耗功率的兩倍。更糟的是，3D 堆疊的散熱效能並不好，底部晶片最熱的部分幾乎是單一前置 CPU 的熱 2.5 倍。頂端的 CPU 溫度較低一些，但相差無幾。

研究人員測試了這樣一個場景：將一個帶有背面供電網路的CPU（底部為灰色）與另一個帶有前端供電網路的CPU（頂部為灰色）相連接。

Imec 的研究人員 Rongmei Chen 表示，3D IC 模擬確實有些不切實際。將兩個完全相同的 CPU 堆疊在一起是不太可能，而將記憶體與 CPU 堆疊在一起要常見得多。 「這樣對比有失公允，但它確實能映射出一些潛在的問題。」他說。

以上是當不斷逼近摩爾定律的極限，晶片互連也有大麻煩的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！