על מנת להרחיב את החיבורים הפנימיים לכיוון של צמתים בטכנולוגיה של 3 ננו-מטר ומעבר לה, יש צורך בכמה חידושים. חברת imec צופה שהדרך להתקדמות לפנים היא EUV בהדפסה יחידה, במודולים בטכנולוגית דמשק כפולה, במבנים של חורי מעבר-על, במודולים בטכנולוגית דמשק למחצה ובפונקציונליות נוספת בקצה האחורי של הקו (BEOL). זולט טוקיי (Zsolt Tokei) מנהל התוכנית של חיבורים פנימיים בגודל ננו בחברת imec, שופך אור על חידושים אלו – אשר הוצגו בוועידת ITF בארה”ב ובוועידת IITC של imec שהתקיימה לאחרונה.
טכנולוגיות של חיבורים פנימיים: מה קיים היום בייצור?
חיבורים פנימיים – אותם תרשימי חיווט זעירים בקצה האחורי של הקו [BEOL] – מחלקים אותות שעון ואותות אחרים, מספקים מתח והארקה לרכיבי מערכות אלקטרוניות שונות ומחברים בחיבורים פנימיים את הטרנזיסטורים הנמצאים בקצה הקדמי [FEOL] של השבב. חיבורים פנימיים מאורגנים בשכבות מתכת שונות ובחוטים פנימיים מקומיים (Mx), גלובליים וגלובליים למחצה. המספר הכולל של השכבות יכול להגיע עד 15 כאשר המספר האופייני של שכבות Mx נע בטווח שבין 3 ל- 6 שכבות. כל אחת מהשכבות האלו כוללת חיבורים מתכתיים (או מסלולים) חד כיווניים וחומרים דיאלקטריים. אלו מחוברים בחיבורים פנימיים באופן אנכי באמצעות מבנים של חורי מעבר מלאים במתכת. מאז שיצאו לשוק באמצע שנות התשעים, חומר העבודה המתכתי שהיה נחושת (Cu) בטכנולוגית דמשק כפולה בשילוב עם חומרים דיאלקטריים, עם מקדם K נמוך (כגון SiO 2, SICO:H ומרווחי אוויר), היה החומר העיקרי ששימש עבור קווים וחורי מעבר ביישומים של שבבי לוגיקה וביישומים של שבבי זיכרון.
לצורך שדרוג צומת בטכנולוגית CMOS מסורתית נדרשת הקטנה של המבנים בקצה האחורי של הקו, שהובילה למרווחי מתכת מוקטנים בחיבורים פנימיים (כלומר, מרווח המרחק ממרכז למרכז). אמנם שדרוג הממדים של טרנזיסטורי FinFET צפוי להיות איטי, אך הממדים של הקצה האחורי של הקו ממשיכים להשתדרג ברמה של פי 0.7 בערך, כדי לשמור על שדרוג האזור הנדרש. לטכנולוגיות המתקדמות ביותר של חיבורים פנימיים שנמצאות כיום בייצור (כלומר, לצמתים בטכנולוגיות של 10 ננו מטר ו- 7 ננו מטר) יש שכבות M1 מקומיות עם מרווחי מתכת צפופים, שמגיעים עד כדי 36 ננו מטר, על מנת שיוכלו להתאים לשדרוג של הקצה הקדמי של הקו (כלומר, הטרנזיסטורים). באותו זמן, על מנת לשמור על הביצועים של הקצה האחורי של הקו, החלו לאחרונה בתעשייה להעדיף את השימוש בקובלט (Co) כסוג של חלופה למתכת, ואת השימוש במרווחי אוויר כחלופה לחומר דיאלקטרי בעל מקדם K נמוך שמשמש ביישומי זיכרון וביישומי לוגיקה.
שילוב של טרנזיסטורים בשכבה דקה (TFT) ברמה של שכבות חיבורי ביניים פנימיים, מוכרת כהזדמנות נוספת להוספת פונקציונליות לקצה האחורי של הקו (BEOL). ברמה זו של שכבות חיבורי הביניים הפנימיים, הצפיפות של חורי המעבר נמוכה באופן יחסי, ובכך היא יוצרת מקום ריק עבור טרנזיסטורים קטנים, כגון טרנזיסטורי TFT. כאן, אפשר להשתמש בהם במגוון של יישומים, לרבות ניהול הספקים, למשל. הטכנולוגיות הראשונות עם טרנזיסטורי TFT בקצה האחורי של הקו הוגבלו בעיקר ליישומי האינטרנט של הדברים (IoT).
לקראת חיבורים פנימיים של 3 ננו מטר ומעבר
הקטנת ממדי המכשיר לצומת בטכנולוגיה שהיא מתחת ל- 5 ננו מטר הפכה להיות מאתגרת יותר ויותר. הסיבה לכך נעוצה בעיקר במגבלות אלקטרוסטטיות ובהשתנות, שקיימות בקצה הקדמי של הקו, בצפיפות הניתוב ובהשהיית RC וצפיפות חיווט דרמטיות שיש בקצה האחורי של הקו. השהיית RC נובעת מאזור חתך הרוחב המוקטן של חוטי המתכת, אשר דוחף מעלה את המכפלה של הקיבול בהתנגדות (RC) של מערכת החיבורים הפנימיים. כל זה מסתיים בגידול משמעותי של השהיית אות וצריכת הספק. בעיות אלו החלו לפני כמה דורות של צמתים והן מחמירות עם כל דור של טכנולוגיה.
על מנת להמשיך בשינוי הממדים של החיבורים הפנימיים מעבר לצומת בטכנולוגיה של 5 ננו מטר, imec החלה בחקירות של מבחר חידושי תהליכים חדשים ובשדרוג מגבירי מתח וחומרים. ארגז הכלים העתידי המיועד לחיבורים פנימיים, כולל במיוחד את ההוספה של ליטוגרפיה בהדפסה יחידה בעל סגול גבוה מאוד (EUV), בזרימות אינטגרציה בטכנולוגית דמשק כפולה, בזרימות תהליכים בטכנולוגית דמשק למחצה בשילוב עם מרווחי אוויר ובשדרוג מגבירי מתח, כגון מבנים של חורי מעבר על (Supervia), לקבלת יכולת ניתוב טובה יותר. כל החידושים האלו דרשו מוליכים חדשים, עם ערך גורם איכות (FoM) טוב יותר מאשר זה של נחושת (Cu) או של קובלט (Co) המסורתיים. את ארגז הכלים הזה השלימה האינטגרציה של טרנזיסטורי TFT בקצה האחורי של הקו עבור מבחר נוסף של פונקציונליות. בפרקים הבאים, נדון בכל אחד מבלוקי הבנייה החדשים של החיבורים הפנימיים האלו, בפירוט נוסף.
מטכנולוגית דמשק כפולה …
תעשיית המוליכים למחצה תרחיב את טכנולוגית דמשק הכפולה הקיימת, כל עוד אפשר, בטרם תעבור לתהליך אינטגרציה חדש. המפתח להרחבה של טכנולוגית דמשק כפולה לעבר מרווחי מתכת קטנים יותר, היא ההוספה של ליטוגרפיה EUV בהדפסה יחידה, לצורך יצירת תבניות של המוליכים (M1 ו- M2) וחורי מעבר (V1) הצפופים ביותר, אשר מקטינה את מורכבות התהליך. בהקשר לאפשרויות הקיימות של יצירת תבניות מרובות מבוססות טבילה (immersion), EUV בהדפסה יחידה תאפשר זרימת תהליכים כדאית מבחינת מחיר וקצרה יותר, באופן משמעותי. היתרונות האמיתיים של גישה זו צפויים להתממש עד מרווחי מתכת להדפסה שיגיעו אל מתחת ל- 30 ננו מטר, לפחות.
בוועידת IITC – 2019, הדגימה imec אמצעי בדיקה בטכנולוגית דמשק כפולה שמתאימים לייצור של צומת בטכנולוגיה לוגית של 3 ננו מטר. שכבת M1 יצרה תבנית עם EUV בהדפסה יחידה. על מנת ליצור תבנית של שכבת M2 במרווחים של 21 ננו מטר, הוצע השימוש בגישת ליטוגרפיה היברידית, תוך שימוש בקוטב מרובע מבוסס טבילה עם יישור עצמי (SAQP) בגודל 193 ננו מטר עבור הדפסה של מוליכים ותעלות, ובהדפסה יחידה בעל סגול גבוה מאוד (EUV), עבור הדפסה של מבני בלוקים וחורי מעבר. אמצעי הבדיקה מממש שיטת מיתוך (מתליזציה) של רוטניום (Ru) ללא מחסומים ומבודד, עם מקדם דיאלקטרי k = 3.0. התקבל שיפור של 30% בערך RC, בהשוואה לדורות קודמים, ללא השפעה על האמינות.
לעת עתה, צוות imec חוקר את היתכנות המימוש של מרווחי מתכת של 16 ננו מטר. בעיות של משתנות (variability) ויציבות מכנית ומורכבות גוברת והולכת של זרימת התהליך מציבות אתגר בפני המימוש של מרווח קיצוני זה – ככל שיידרשו אפשרויות של תבניות מרובות.
לטכנולוגית דמשק למחצה …
גישה מעניינת להרחבת זרימות תהליכים מבוססות דמשק לכיוון מרווחי מתכת של 16 ננו מטר, באה לידי ביטוי בהצגה של מודול טכנולוגית דמשק למחצה שיכול להתקיים בשילוב עם מודולים בטכנולוגית דמשק כפולה מסורתית. ההבדל המהותי בין טכנולוגית דמשק כפולה לטכנולוגית דמשק למחצה הוא ביטול שלב הליטוש הכימי מכני (CMP) של המתכת – שהוא השלב האחרון בזרימת התהליכים של טכנולוגית דמשק כפולה.
תהליך בטכנולוגית דמשק למחצה מתחיל ביצירת התבנית של חורי מעבר, תוך כדי פתיחה ואיכול שלה אל תוך שכבה דיאלקטרית. בשלב זה, חורי המעבר מתמלאים במתכת (למשל Ru) מעל ומעבר – זאת אומרת שריבוד המתכת נמשך עד אשר שכבת מתכת נוצרת מעל השכבה הדיאלקטרית. המתכת עוברת מיסוך ואיכול, על מנת ליצור מוליכי מתכת.
היתרון האמיתי של תהליך בטכנולוגית דמשק למחצה, בהשוואה לתהליך בטכנולוגית דמשק יחידה וטכנולוגית דמשק כפולה, הוא היכולת להקטין את המשתנות וליצור מרווחי אוויר בין המוליכים המתכתיים – כחלופה לחומר הדיאלקטרי הקונבנציונלי, כגון תחמוצת הסיליקון (SiO2). בשילוב עם Ru כמוליך, אין צורך במחסום פעפוע (diffusion) בין החומר הדיאלקטרי למוליך. שיטה זו מגבילה את עליית הקיבול ביחסי ממדים גבוהים. עליית הקיבול ביחסי ממדים גבוהים נחשבת המחסום העיקרי בדרך לשיפור הגורם RC של החיבורים הפנימיים, בעת שימוש בתהליכי זרימה רגילים בטכנולוגית דמשק כפולה. יחסי ממדים גבוהים יותר נדרשים להקטנת ההתנגדות והמשתנות, אבל ההשפעה החיובית שלהם נמחקת על ידי העלייה הלא רצויה בקיבול. השימוש במודולי טכנולוגית דמשק למחצה עם מרווחי אוויר Ru ללא מחסומים יכול לפתור את הבעיה הזו.
קודם לכן, הצוות של imec הציג את היתכנות הייצור של מוליכים עם יצירת תבניות מתכת. לאחרונה היא שולבה בהדפסה יחידה בעל סגול גבוה מאוד (EUV) והביאה לתוצאה של מוליכי מתכת במרווחים של 30 ננו מטר.
מבנים של חורי מעבר על לקבלת יכולת ניתוב טובה יותר
הגורם הבא שמשנה את המציאות בנוף החיבורים הפנימיים הוא מבנים של חורי מעבר על (Supervia), חורי מעבר בעלי יחס ממדים גבוה שבצורתם הפשוטה ביותר מחברים שכבת Mx עם שכבת Mx+2. חורי מעבר על שייכים למשפחה של שיטות שיפור המשמשות לשדרוג, והשימוש בהם נעשה על מנת להקטין את מספר המוליכים במעגל, וככאלו, גם יקטינו את גובה התאים הלוגיים הסטנדרטיים כדרך להקטנה נוספת של שטח השבב.
בצורתו הפשוטה ביותר, חור מעבר על מספק חיבור ישיר משכבת Mx אל שכבת המתכת Mx+2 על ידי עקיפת שכבת הביניים Mx+1 בדרך של יישור עצמי. חורי מעבר על וחורי מעבר רגילים מתקיימים אלה בצד אלה באותו תכנון, כאשר חורי מעבר על ממומשים במיקומים שבהם ל’קפיצה מהירה יותר’ היו יכולים להיות יתרונות.
מקרי השימוש הראשונים הם במבנים של זיכרונות SRAM ובמבנים של מוליך אספקת מתח שקוע – כלומר מוליכי אספקת מתח ששקועים בקצה הקדמי של השבב, על מנת לאפשר את שחרור משאבי הניתוב עבור החיבורים הפנימיים. למשל, בוועידת IITC שהתקיימה ב- 2019, חברת imec הדגימה תהליך איכול שקוע של Ru עם תפוקת (yield) התנגדות גבוהה והתנגדות סגולית (resistivity) נמוכה של המוליך – שהוא צעד חיוני באינטגרציה של מוליכי מתח שקועים.
על מנת להרחיב את המבנים של חורי מעבר על מעבר לצומת של 3 ננו מטר, הגדירה imec מפת דרכים שכוללת את הדור השני (מ- Mx אל Mx+3 ול- Mx+4) ואת הדור השלישי (מ- Mx אל Mx+5) של חורי מעבר על. הדור השלישי האולטימטיבי הזה, שנקרא גם ‘Ubervia’ הוא מורכב ועדיין רחוק ממימוש. אבל הוא אמור לאפשר לבצע ‘קפיצה’ מיידית למוליכי המתכת הרחבים, ובכך לספק אמצעי להקטנה נוספת של ממדי הערך של RC.
גורמי שיפור עיקריים: מוליכים חלופיים
במהלך השנים הפכה imec לחלוצה ולקובעת הדרך בחיפוש אחר מתכות חדשות על מנת להחליף את הנחושת (Cu), טונגסטן (W) ואת הקובלט (Co) הרגילות יותר, ביישומים מגוונים של חיבורים פנימיים. מוליכים חלופיים אלו יהפכו להיות המפתח למימוש החידושים המוזכרים לעיל, לרבות המודולים בטכנולוגית דמשק כפולה ובטכנולוגית דמשק למחצה של ‘הדור הבא’, וכן של המבנים של חורי מעבר על.
בשלב הראשון של המסע בעקבות מתכות חלופיות, הוגדר גורם איכות (FoM) כדי לאפשר את הדירוג של המועמדים. גורם איכות זה, שהוגדר כמכפלה של ההתנגדות הסגולית בצובר (bulk) כפול הנתיב החופשי הממוצע של נושאי המטען במתכת, מוכר כעת באופן נרחב בקהיליה המדעית כנקודת התחלה טובה לדירוג – עם Cu, W ו- Co כחומרים לייחוס. המתכת עם ערך FoM הנמוך ביותר היא רודיום (Rh), אחריה הפלטינה (Pt), אירידיום (Ir), ניקל (Ni), רוטניום (Ru), מוליבדניום (Mo) וכרום (Cr). עם זאת, הדירוג לא כולל אמות מידה כגון עלות, רגישות לריפוי (anneal) או יכולת הידבקות לחומר הדיאלקטרי, ויקר במיוחד הוא הרודיום (Rh) – אפילו יקר יותר מהזהב (Au). בהיבט הניסויי, למשל, הדגימה imec שמוליבדניום (Mo) היא מתכת מבטיחה מאוד לחיבורים פנימיים, במיוחד כתחליף פוטנציאלי עבור טונגסטן (W) בממדים מדורגים. העבודה על מתכות חלופיות הוצגה בוועידת IITC בשנת 2019.
אנשי הצוות של imec חיפשו גם תרכובות בינריות וטרנריות כחלופות של המוליכים הקונבנציונליים. במיוחד, מה שנהוג לכנות שלבי MAX, היו מוצלחים יותר מאשר השימוש ביסודות טהורים – והעניקו הזדמנות למחקר נוסף. שלבי MAX הם מבנים מסודרים בשכבות שמורכבות ממתכת במעבר מוקדם (M), מאלמנט בקבוצה A (A) ומפחמן או חנקן (X).
ולבסוף, אפשר להקטין גם את ההתנגדות הסגולית של מתכות כגון רוטניום (Ru) על ידי כיסוי המוליכים בגרפן (Graphene) – שידוע במבנה האטומי שלו כדק ובעל מוליכות חשמלית וחומנית גבוהה ויכולת הולכת זרם גבוהה. בוועידת IITC 2019, הציגה imec התנגדות חשמלית נמוכה יותר ויציבות חומנית גבוהה יותר בחוטי רוטניום (Ru) שיוצרו בכימוס בגרפן. ממצאים אלו ביססו את הנתיב האפשרי לחיבורים פנימיים של פחמן/מתכת היברידיים.
מוסיפים פונקציונליות ל- BEOL
ברמת חיבורי הביניים הפנימיים M6 עד M8 של שבבי הצמתים המתקדמים, צפיפות חורי המעבר נמוכה באופן יחסי והיא יוצרת מרחב ריק שבו אפשר להשתמש למימוש טרנזיסטורים קטנים. מאחר שהם קטנים מספיק ובעלי תאימות לטמפרטורה, טרנזיסטורי שכבה דקה יכולים למלא את המשימה הזו, ובכך להוסיף פונקציונליות נוספת ל – BEOL.
יישומי המטרה הם ניהול הספקים עבור מרחב של שרתים ומרחב של ניידים, מעגלים לוגיים VT כפולים, רכיבי FPGA (עם מערכים גדולים של זיכרונות SRAM), כניסות ויציאות במתח גבוה עבור המרת מתח, חוצצי אותות עבור תפיסות נוירו מורפיות. כך התאפשר גם לאתר את הדרך בזיכרונות DRAM או אפשר להשתמש בהם ביישומים של בורר עבור זיכרונות לא נדיפים.
החלום האולטימטיבי של חיבורים פנימיים הוא להשתמש בהם כמהדרים (repeaters) אשר תופסים נתח גדול של המרחב בתכנונים הקיימים כיום. אבל לצורך זה, נדרשים טרנזיסטורי שכבה דקה (TFT) מסוג n ומסוג p, האחרונים לא מתקדמים מספיק למימוש אמיתי. אתגרים אחרים למימוש BEOL כוללים את האמינות והבשלות של טכנולוגית התהליכים על CMOS, והעלות – על אף שבממדים ‘רגועים’ כאלו אפשר להשתמש בליטוגרפית טבילה (immersion) פשוטה בהדפסה יחידה, כדי להפוך את הפתרון לכדאי יותר מבחינת עלות.
הצוות של imec סיפק לאחרונה הדגמה בחומרה של טרנזיסטורי שכבה דקה (TFT) בתחמוצת אינדיום, גליום, אבץ (IGZO) על פרוסה של 300 מ”מ עם זליגה נמוכה, גם בטמפרטורות גבוהות.
לסיכום
במאמר זה, imec הציגה כמה תרחישים עתידיים שמבטיחים להרחיב את דירוג החיבורים הפנימיים – אשר בעיית השהיית גורם RC מציבה מולו אתגר – לכיוון של צומת בטכנולוגיה של 3 ננו מטר ומעבר לכך. אפשרויות חדשות יאפשרו את שדרוג השטח והעלות (למשל המודול בטכנולוגית דמשק למחצה), מאיצי שדרוג חדשים (לרבות חורי מעבר על לקבלת יכולת ניתוב טובה יותר), חומרים חדשים (כגון מוליכים חלופיים ומרווחי אוויר כחומרים דיאלקטריים) ועל ידי הוספה של פונקציונליות לקצה BEOL של השבב.
ועידת IITC 2019 מוצלחת שנערכה בבריסל, בלגיה
חלק מהתוצאות שהוצגו לעיל הוצגו גם בוועידת IITC בשנת 2019 (ועידת הטכנולוגיה הבינלאומית לחיבורים פנימיים – International Interconnect Technology Conference) של IEEE, הוועידה הראשונה במעלה לטכנולוגיה של חיבורים פנימיים שהוקדשה לאינטגרציה מתקדמת של מיתוך (מטליזציה) ותלת ממד (3D) עבור יישומי מעגלים משולבים ב- ULSI. אחת לשש שנים ועידת הטכנולוגיה השנתית הזו נערכת בבריסל, בלגיה, השנה עם זולט טוקיי כיו”ר משותף כללי של הוועידה.
זולט טוקיי: 260 משתתפים מ- 93 מוסדות ברחבי העולם, המייצגים חברות, אוניברסיטאות ומרכזי מו”פ פקדו את הוועידה. באופן כללי, הייתה זו מהדורה מוצלחת של ועידה שאופיינה בתוכנית טכנית ברמה גבוהה ובסדנאות בנושא ‘חומרים בתעשיית המוליכים למחצה: פותרים את הפאזל’. מאחר שהמדובר במגמה ראויה לציון, פקדו את הוועידה יצרני זיכרונות רציניים שאישרו את הצורך במוליכים חלופיים עבור זיכרונות, במיוחד עבור הקו העולמי של זיכרונות הבזק מסוג NAND תלת ממדיים.
תרומתה של חברת imec לוועידה הייתה 11 מאמרים (מקום ראשון ברשימת המחברים) וכמה מצגות על כרזות – שהקיפו שדרוג מרווחי מתכת, אפשרויות תהליכים חדשים עבור חיבורים פנימיים, מוליכים חדשים וחומרים דיאלקטריים חלופיים ומחקרי אמינות עבור יישומי זיכרון ויישומי לוגיקה.
מידע נוסף
- הודעה לעיתונות שלimec בנושא אמצעי בדיקה לטכנולוגית דמשק כפולה במרווחי 21 ננו מטר press release .
- פרטים נוספים בנוגע לחורי מעבר על (Supervia) אפשר למצוא במאמר של imec imec magazine .
- חברת Imec הציגה כמה מאמרים בוועידת 2019 IITC, בהם גם עבודה שנעשתה לאחרונה על מבנים של מוליכי מתח שקועים, מוליכים חלופיים, אינטגרציה של טכנולוגית דמשק כפולה וחיבורים היברידיים של גרפן – רוטניום. אפשר לבקש חלק מהמאמרים האלו באמצעות הטופס ליצירת קשר contact form.
אודות זולט טוקיי
זולט טוקיי (Zsolt Tokei) הוא מנהל תוכנית של ננו חיבורים פנימיים ב- imec. הוא הצטרף לחברה בשנת 1999 ומאז מילא תפקידים טכניים שונים בארגון. ראשית כמהנדס תהליכים וחוקר בתחום של חיבורים פנימיים בעלי מקדם k נמוך מנחושת, ולאחר מכן כמוביל המחלקה העוסקת במתכת. בשלב מאוחר יותר הוא הפך למדען הראשי, ולמנהל תוכנית של ננו – חיבורים פנימיים. הוא בעל תואר MS בפיסיקה (1994) מטעם אוניברסיטת Kossuth בדרבצן, הונגריה. במסגרת עבודת תזה שבוצעה בשיתוף בין אוניברסיטת Kossuth בהונגריה לבין אוניברסיטת Aix Marseille-III בצרפת, הוא קיבל תואר פרופסור (1997) בפיסיקה ובמדעי החומרים. בשנת 1998 החל לעבוד במכון Max-Planck בדיסלדורף, גרמניה, כחוקר בתואר ‘פוסט דוקטורט’. עם הצטרפותו ל imec המשיך לעבוד על מבחר של נושאי חיבורים פנימיים, בהם נכללים, היבטי שדרוג, מיתוך, אפיון חשמלי, אינטגרציה של מודולים, אמינות והיבטים מערכתיים.
