211service.com
Att göra ledningar som inte slår ut datorchips
När chiptillverkare aggressivt skalar ner integrerade kretsar för att ge allt mer datorkraft har mycket av fokus legat på att förbättra transistorer. Men prestandan har också begränsats av kopparledningarna som transporterar information runt chipsen.
Idag, kl Semicon West konferens i San Francisco, tillverkare av halvledarutrustning Tillämpade material tillkännagav ett verktyg som den säger löser en del av detta problem genom att göra chiptrådar som har färre fel. Branschbevakare säger att den nya tekniken kan avvärja dyra tillverkningsproblem på kort sikt.
Transistorer har blivit bättre när de har blivit mindre, och koppartrådar har blivit sämre, säger Robert Geer , professor i nanoskalavetenskap vid State University of New York i Albany. Eftersom dessa ledningar, även kallade sammankopplingar, blir tunnare, ökar deras elektriska motstånd. Ledningarna som bär signaler runt toppmoderna integrerade kretsar är nu de ledande källorna till strömavledning, värmeuppbyggnad och signalfördröjningar.
Eftersom sammankopplingar har minskat har de också blivit svårare att bygga. Det är detta tillverkningsproblem som Applied Materials nya maskiner lovar att ta itu med. Dagens mest kraftfulla datorchips är packade med miljarder 20-nanometer transistorer. Staplade ovanpå transistorerna är tiotals isolerande lager gängade med kopparledningar. På sin minsta punkt, där ledningarna ansluter till transistorerna, är dessa trådar också cirka 20 nanometer.
Dessa ledningar byggs ett lager i taget genom att koppar avsätts i cylindriska hål i det isolerande lagret. När kopparn rör sig in i de små men djupa hålen som behövs för nästa generation chips, tenderar små bubblor att bildas, en katastrofal defekt.
Dagens chips innehåller cirka 100 kilometer kopparledningar, så risken för fel är enorm. Och om en av dessa kablar inte fungerar på grund av ett misstag i ett lager – något som är omöjligt att upptäcka förrän chippet är färdigt och testat – måste chippet slängas ut. Små misstag har en stor prislapp: defekter med en hastighet av en per miljard leder till en minskning av avkastningen med 25 procent, säger Sree Kesapragada, global produktchef för Applied Materials metalldeponeringsprodukter.
Företaget säger att dess nya kopparavsättningsmaskin, kallad Endura Amber, kan göra kopparkopplingar mindre än 10 nanometer utan att påverka utbytet. Liksom tidigare maskiner använder den en process som kallas joniserad fysisk ångavsättning för att belägga chipet med ett lager av koppar. Det som är nytt är att maskinen sedan värmer upp chipet så att kopparn rinner in i hålet, vilket minskar sannolikheten för defekter. Att utföra deponerings- och uppvärmningsstegen i samma kammare är inte trivialt och var något som ingenjörer på företaget ursprungligen ansåg vara en cockamamie-idé, säger Kevin Moraes, som hanterar Applied Materials metalldeponeringsprodukter.
Denna cockamamie-idé kan hjälpa tillverkare att använda befintlig infrastruktur för chiptillverkning för nästa generations chip. Men det kommer inte att lösa det större problemet: det faktum att mindre koppartrådar orsakar stora prestandaproblem. Varje stegvis framsteg understryker det faktum att du måste arbeta med dessa stora lösningar så att du kan hänga med i de enorma förbättringar av datorprestanda vi är vana vid, säger Geer.
Den lösning som skulle orsaka minsta störning av infrastrukturen för chiptillverkning skulle vara att hitta en annan metall som förblir ledande även när den görs till mycket tunna ledningar, och som inte värms upp lika mycket som koppar, säger Jonathan Candelaria, chef för interconnect sciences vid Semiconductor Research Corporation . Forskare tittar på olika legeringar, volfram, eller möjligheten att återgå till aluminium, det valda sammankopplingsmaterialet fram till för cirka 20 år sedan.
Ett tag satte forskare stort hopp till nya kolnanomaterial, inklusive grafen. En del av problemet med koppar är att elektroner sprider bort defekter i materialet. Nanorör och grafen, däremot, ger smidig segling för elektroner. Men forskare lär sig fortfarande hur man arbetar med dessa material. Så Geer försöker utveckla nya sätt att strukturera konventionella metaller så att de, precis som nanorör och grafen, leder utan spridning. Saroj Nayak , professor i fysik vid Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, New York, arbetar också med knep för att göra metallledare bättre. Han utvecklar nya isoleringsmaterial som belastar metallledningarna för att förbättra ledningsförmågan.
Men det är inte klart vilken av dessa lösningar, om någon, kommer att fungera. Applied Materials skulle inte kommentera vad den är förberedd för utöver koppar. Denna osäkerhet är ett stort problem, säger Candelaria, eftersom det vanligtvis tar sju till tio år att införliva ett nytt material i halvledartillverkningen. Samtidigt kommer koppars prestandaproblem att bli oöverstigliga om fem till tio år. Vi kan se den här röda tegelväggen av annalkande undergång framåt, säger Candelaria.