電力輸送、材料和互連領(lǐng)域即將發(fā)生巨大變化

在設(shè)備互連方面，銅無可匹敵。其低電阻率和高可靠性為業(yè)界提供了出色的片上互連和芯片間連線服務(wù)。但在邏輯芯片中，隨著互連堆棧上升到14級(jí)范圍，并且阻容(RC)延遲在總延遲中所占的比例越來越大，晶圓廠正在尋求替代金屬來維持性能。

減少RC延遲并幫助縮小標(biāo)準(zhǔn)尺寸單元的一種選擇是背面供電。這種有點(diǎn)激進(jìn)的主張通過芯片的背面而不是正面為設(shè)備供電，從而緩解了互連擁塞并改善了電力傳輸。第二種選擇是混合鍵合，它具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括能夠以較小的延遲組合不同的設(shè)備。

在開發(fā)出將銅互連沉積到線路和通孔中的雙鑲嵌方法之前，業(yè)界在減材沉積和蝕刻方案中使用鋁?，F(xiàn)在，由于襯里金屬（通常是鈷）和勢壘對電阻率的影響，銅互連已達(dá)到其縮放值。替代金屬不需要襯墊或阻擋層，但它們的集成可能需要過渡回沉積和蝕刻工藝。

在蝕刻期間和之后控制金屬的氧化將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，特別是在使用高深寬比金屬線來獲得較低電阻的情況下，需要在線之間集成氣隙?？諝馐堑蚹材料(k=1.0)，但與低k電介質(zhì)和二氧化硅不同，它犧牲了結(jié)構(gòu)支撐。

英思特使用隔離物拉出方法的頂部通孔工藝流程，該方法類似于雙鑲嵌中的雙圖案化。自對準(zhǔn)光刻-光刻-刻蝕(SALELE)步驟形成頂部通孔和底層金屬線。為了盡可能擴(kuò)展銅工藝，芯片制造商正在消除通孔底部的阻擋金屬沉積(TaN)，這對通孔電阻率有著影響。

圖1

背面電力傳輸互連

制造方式的另一個(gè)顛覆性變化涉及背面電力傳輸（BPD）——將電力傳輸轉(zhuǎn)移到晶圓背面，以便晶體管上方的互連層僅傳輸信號(hào)。分開的原因是電力傳輸和信號(hào)傳輸有不同的需求。電源遵循低電阻路徑（較粗的電線），但大電流使其容易受到電遷移的影響。對于信號(hào)，工程師需要低電容和小橫截面，但一些電阻是可以的。先進(jìn)邏輯中有12至14個(gè)金屬層，功率密度有所提高，電源電壓（IR壓降）也很大。

英思特使用細(xì)間距 nanoTSV的方法（200nm 間距，320nm 深），從金屬0向下延伸并降落在具有嚴(yán)格覆蓋控制的埋入式電源軌上。將正面粘合到載體晶圓上，減薄晶圓，然后蝕刻并填充TSV。

事實(shí)上，混合鍵合正在用于實(shí)現(xiàn)背面配電?；旌湘I合涉及銅連接和周圍電介質(zhì)的鍵合，每單位面積的連接數(shù)比銅微凸塊多1,000倍。

晶圓到晶圓(W2W)混合鍵合比芯片到晶圓(D2W)混合鍵合更加成熟。芯片到晶圓的對準(zhǔn)要復(fù)雜得多，因?yàn)橐芾淼氖切酒膫€(gè)角的位置，而不是兩個(gè)晶圓的整體位置。晶圓對晶圓鍵合常用于將像素陣列鍵合至相機(jī)圖像傳感器中的底層芯片。

圖 2：不同集成度的互連間距和帶寬

先進(jìn)封裝

從SoC到多芯片封裝和系統(tǒng)的巨大轉(zhuǎn)變確實(shí)將性能、功耗和成本指標(biāo)從芯片轉(zhuǎn)移到了系統(tǒng)。性能問題不再只是一個(gè)芯片問題。向小芯片的過渡意味著這些小芯片之間需要高帶寬接口，這是先進(jìn)封裝的驅(qū)動(dòng)力。高帶寬和小芯片尺寸需要高信號(hào)速度，并且通常需要寬接口總線。后者給具有更緊密凸塊間距的較小芯片凸塊帶來了相當(dāng)大的壓力。反過來，這需要更先進(jìn)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)芯片和互連之間的良好對準(zhǔn)。

結(jié)論

隨著業(yè)界越來越多地采用新型互連材料、背面供電、混合鍵合和先進(jìn)封裝，人們將了解更多有關(guān)這些工藝的制造細(xì)節(jié)。在用盡所有途徑之前，特別是在新的集成方案帶來重大挑戰(zhàn)的情況下，將對銅互連進(jìn)行小幅改進(jìn)。