uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Koneen sydänraportti

Toimittaja: Zenan, Xiaozhou

Luo miljoonia yhteyksiä neliömillimetrille piitä.

Nanometreistä angströmiin siruvalmistajat tekevät parhaansa pienentääkseen piirien kokoa. Mutta kasvavalle laskentatehon tarpeellemme suurempien mittojen (satoja tai tuhansia nanometrejä) sisältävä teknologia voi olla yhtä tärkeä seuraavan viiden vuoden aikana.

Teknologia, jota kutsutaan suoraksi hybridisidokseksi, pinoaa kaksi tai useampia siruja yhteen samaan pakettiin niin sanottujen 3D-sirujen rakentamiseksi. Vaikka transistorien kutistumisnopeus hidastuu Mooren lain asteittaisen romahtamisen vuoksi, siruvalmistajat voivat silti lisätä transistorien määrää prosessoreissa ja muistissa muilla tavoilla.

Toukokuussa IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC) -konferenssissa Denverissä tutkimusryhmät ympäri maailmaa paljastivat useita kovalla työllä saavutettuja parannuksia tekniikkaan, joista osa osoitti yhteyksiä pinottujen 3D-sirujen välillä: noin 7 miljoonaa yhteyttä piin neliömillimetriä kohti.

Kaikki nämä liitännät ovat välttämättömiä puolijohdeteknologian uusien edistysten vuoksi, Intelin Yi Shi raportoi ECTC:ssä. Mooren lakia hallitsee nyt System Technology Co-Optimization (STCO) -niminen konsepti, jossa sirun toiminnot (kuten välimuisti, syöttö/lähtö ja logiikka) valmistetaan erikseen käyttämällä huippuluokan prosesseja. Nämä osajärjestelmät voidaan sitten koota käyttämällä hybridisidontaa ja muita kehittyneitä pakkaustekniikoita, jotta ne toimivat kuin yksittäinen piipala. Mutta tämä on mahdollista vain, jos on olemassa suuritiheyksisiä yhteyksiä, jotka voivat siirtää dataa yksittäisten piikappaleiden välillä pienellä latenssilla tai energiankulutuksella.

Hybridisidos tarjoaa korkeimman tiheyden pystysuuntaisia ​​liitoksia kaikista edistyneistä pakkaustekniikoista. Siksi se on kehittyneen pakkausteollisuuden nopeimmin kasvava alue, ja Yole Groupin teknologia- ja markkina-analyytikko Gabriella Pereira sanoi, että markkinoiden koko tähän suuntaan yli kolminkertaistuu 38 miljardiin dollariin vuoteen 2029 mennessä. Hybridisidosten odotetaan muodostavan tuolloin noin puolet markkinoista.

Hybridisidoksessa kuparityynyt rakennetaan jokaisen sirun yläpinnalle. Kuparia ympäröi eristävä kerros (yleensä piioksidi), ja itse tyyny on hieman upotettu eristävän kerroksen pintaan. Oksidin kemiallisen muuntamisen jälkeen kaksi lastua puristetaan yhteen kasvotusten niin, että kunkin syvennyksen tyynyt ovat kohdakkain. Sitten voileipä kuumennetaan hitaasti, jolloin kupari laajenee rakoon ja sulake yhdistäen kaksi lastua.

1. Hybridisidonta alkaa kahden kiekon tai yhden sirun ja yhden kiekon ollessa vastakkain. Vastapinnat on peitetty oksidieristekerroksella ja hieman upotetuilla kuparityynyillä, jotka yhdistyvät sirun liitoskerroksiin.

2. Purista kiekot yhteen muodostaaksesi alkusidokset oksidien välille.

3. Pinottuja kiekkoja kuumennetaan sitten hitaasti, jotta oksidit yhdistyvät tiukasti ja kupari laajenee sähköliitäntöjen muodostamiseksi.

a. Vahvemman sidoksen muodostamiseksi insinöörien on tasoitettava oksidin viimeiset nanometrit. Pienetkin pullistumat tai vääntymät voivat häiritä tiheitä yhteyksiä.

b. Kupari on upotettava oksidipinnasta juuri oikeaan asentoon. Liikaa ja yhteyttä ei muodostu, liian vähän ja se työntää kiekon erilleen. Tutkijat tutkivat, kuinka kuparia voidaan hallita yksittäisten atomikerrosten tasolle asti.

c. Kiekkojen välinen alkuyhteys on heikko vetysidos. Hehkutuksen jälkeen liitoksesta tulee vahva kovalenttinen sidos. Tutkijat odottavat, että käyttämällä erityyppistä pintaa, kuten piikarbonitridia, saadaan enemmän paikkoja kemiallisten sidosten muodostumiselle, mikä johtaa vahvempaan yhteyteen kiekkojen välillä.

d. Hybridiliitoksen viimeinen vaihe voi kestää tunteja ja vaatii korkeita lämpötiloja. Tutkijat toivovat alentaa lämpötilaa ja lyhentää prosessiaikaa.

e. Vaikka kahdessa kiekossa oleva kupari puristetaan yhteen sähköliitoksen muodostamiseksi, metallin raeraajat eivät tyypillisesti ylitä toiselta puolelta toiselle. Tutkijat yrittävät muodostaa suuria yksikiteisiä kuparihiukkasia rajoilla parantaakseen johtavuutta ja vakautta.

Hybridisidoksella voidaan liittää joko yksi yhden kokoinen siru suuremmilla siruilla täytettyyn kiekkoon tai se voi liittää kaksi kokonaista samankokoista kiekkoa yhteen. Tietenkin jälkimmäinen prosessi on kypsempi kuin edellinen, osittain sen käytön vuoksi kamerasiruissa. Esimerkiksi eurooppalaisen mikroelektroniikan tutkimusorganisaation Imecin insinöörit ovat luoneet tiiviimpiä koskaan valmistettuja kiekko-kiekkojen sidoksia, joiden sidosetäisyydet (tai välit) ovat vain 400 nanometriä. Mutta Imec on saavuttanut vain 2 mikronin sirun ja kiekon välisen sidostiheyden.

Tämä on valtava parannus nykyään tuotannossa oleviin edistyneisiin 3D-siruihin verrattuna (yhteysväli on noin 9 mikronia). Ja se on suurempi harppaus eteenpäin kuin edellinen teknologian sukupolvi: juotteen "mikrikohut", joiden väli on kymmeniä mikroneja.

"Kun laitteet tulevat saataville, on helpompi kohdistaa kiekot kiekkoihin kuin kohdistaa sirut kiekoihin. Suurin osa mikroelektroniikan prosesseista suoritetaan koko kiekolle", sanoi ranskalaisen tutkimuslaitoksen CEA Letin integraatio- ja pakkaustieteen johtaja Jean-Charles sanoi. Souriau. Mutta siru-kiekkoon (tai chip-to-wafer) -tekniikka voi loistaa huippuluokan prosessoreissa, kuten AMD:n prosessoreissa, jotka käyttävät uutta tekniikkaa tietojenkäsittelyytimien ja välimuistien kokoamiseen edistyneisiin prosessoreihinsa ja tekoälykiihdyttimiinsä.

Työntääkseen välimatkaa lähemmäs ja lähemmäksi molemmissa tapauksissa tutkijat keskittyivät pinnoista tasaisemmiksi, jolloin sidottu kiekot tarttuivat paremmin toisiinsa ja lyhensivät prosessin kokonaisaikaa ja monimutkaisuutta. Tämän oikean saaminen voi mullistaa sirujen suunnittelun.

Vau, pienennä välilyöntejä

Viimeaikaiset wafer-on-wafer-tutkimukset (WoW) ovat saavuttaneet tiukimmat sävelkorkeudet - noin 360 nanometristä 500 nanometriin - ja se tarkoittaa, että on panostettava paljon vaivaa yhteen asiaan: tasaisuuteen. Jotta kaksi kiekkoa voidaan liittää yhteen 100 nanometrin tarkkuudella, koko kiekon on oltava lähes täysin litteä. Jos se on edes hieman taipunut tai kiertynyt, koko pala ei liity toisiinsa.

Kiekon tasoitus vaatii prosessin, jota kutsutaan kemialliseksi mekaaniseksi tasoitukseksi (CMP). Se on kriittinen siruvalmistuksessa, erityisesti transistorien yläpuolella olevien liitäntäkerrosten valmistuksessa.

"CMP on kriittinen parametri hybridisidoksessa, jota meidän on valvottava", Souriau sanoi. ECTC:ssä esitellyt tulokset osoittavat, että CMP viedään toiselle tasolle, ei vain tasoita koko kiekkoa, vaan myös pienentää kuparityynyjen välisen eristyskerroksen pyöreyttä nanometritasolle paremman liitoksen varmistamiseksi.

Muut tutkijat pyrkivät varmistamaan, että nämä litteät osat voidaan liittää yhteen riittävän lujasti. He yrittivät käyttää erilaisia ​​pintamateriaaleja, kuten piikarbonitridia piioksidin sijaan, ja käyttivät erilaisia ​​protokollia pinnan kemialliseen aktivoimiseen. Aluksi, kun kiekkoja tai lastuja puristetaan yhteen, ne pysyvät koossa suhteellisen heikoilla vetysidoksilla, ja huolenaihe on, pysyvätkö ne paikoillaan jatkokäsittelyvaiheiden aikana. Kytkemisen jälkeen kiekko ja siru kuumennetaan hitaasti, prosessia kutsutaan hehkutukseksi, joka on suunniteltu muodostamaan vahvempia kemiallisia sidoksia. Se, kuinka vahvoja nämä siteet ovat – ja jopa kuinka ne selvitetään – on suuren osan ECTC:ssä esitetystä tutkimuksesta aiheena.

Lopullinen sidoslujuus tulee osittain kupariliitoksista. Hehkutusvaihe saa kuparin laajenemaan rakoissa muodostaen johtavia siltoja. Samsungin Seung Ho Hahn selittää, että raon koon hallinta on avainasemassa. Laajenna liian vähän ja kupari ei sulaudu, laajene liikaa ja kiekko työntyy erilleen. Kyse on nanomittakaavasta, ja Hahn raportoi työstään uuden kemiallisen prosessin parissa, jonka hän toivoo saavuttavan tämän etsaamalla pois yhden atomikerroksen kuparia kerrallaan.

Myös yhteyden laadulla on merkitystä. Siruliitoksissa oleva metalli ei ole yksittäinen kide, vaan se koostuu monista eri suuntiin suunnatuista rakeista. Jopa kuparin laajenemisen jälkeen metallin raeraajat eivät tyypillisesti ulotu puolelta toiselle. Tämän risteyksen pitäisi vähentää liitoksen vastusta ja lisätä sen luotettavuutta. Japanin Tohoku-yliopiston tutkijat raportoivat uudesta metallurgisesta järjestelmästä, joka voisi lopulta tuottaa suuria kuparin yksittäiskiteitä, jotka ylittävät rajat. "Tämä on valtava muutos", sanoi Japanin Tohokun yliopiston apulaisprofessori Takafumi Fukushima. "Analysoimme nyt sen taustalla olevia syitä."

Muut ECTC:ssä käsitellyt kokeet keskittyivät liimausprosessin yksinkertaistamiseen. Jotkut yrittävät alentaa sidosten muodostamiseen vaadittavaa hehkutuslämpötilaa (yleensä noin 300 °C), jotta voidaan minimoida sirun vaurioitumisriski pitkäaikaisen kuumennuksen seurauksena. Applied Materialsin tutkijat kuvaavat edistysaskeleita menetelmässä, joka voi merkittävästi lyhentää hehkutukseen tarvittavaa aikaa – tunneista vain 5 minuuttiin.

Erinomainen COW

Imec käyttää plasmaetsausta lastujen leikkaamiseen ja viistettyjen kulmien tekemiseen. Tämä tekniikka poistaa mekaanisen rasituksen, joka voi häiritä liimausta.

Tällä hetkellä chip-on-wafer (CoW) -hybridisidonta on hyödyllisempää kehittyneiden prosessorien ja grafiikkasuoritinten valmistajille: Sen avulla sirujen valmistajat voivat pinota erikokoisia siruja ja liittää jokaisen sirun ennen sen liittämistä toiseen ei aiheuta ongelmia. Loppujen lopuksi yksi viallinen osa voi tuhota kokonaisen kalliin suorittimen.

Mutta CoW:lla on kaikki WoW:n vaikeudet ja vähemmän vaihtoehtoja niiden lieventämiseen. Esimerkiksi CMP on suunniteltu tasoittamaan kiekkoja, ei yksittäisiä siruja. Kun suulake on leikattu lähdekiekosta ja testattu, sen kiinnittymisvalmiuden parantamiseksi voidaan tehdä vähemmän.

Intelin tutkijat raportoivat kuitenkin CoW-hybridisidoksesta 3 μm:n jakovälillä, ja kuten edellä mainittiin, Imecin tiimi saavutti onnistuneesti 2 μm:n jakovälin ensisijaisesti tekemällä siirretyt suulakkeet hyvin litteiksi, kun ne olivat vielä kiinnitettyinä kiekkoina ja pitämällä ne puhtaina koko prosessin ajan. .

Molemmat joukkueet käyttivät plasmaetsausta lastujen leikkaamiseen yleisen sahausmenetelmän (terän) sijaan. Toisin kuin sahaus, plasmaetsaus ei aiheuta reunojen halkeilua, jolloin syntyy roskia, jotka voivat häiritä yhteyttä. Sen avulla Imec-tiimi pystyi myös muotoilemaan sirun, luoden viistettyjä kulmia lievittääkseen mekaanista rasitusta, joka voisi vahingoittaa liitoksia.

Useiden ECTC:n tutkijoiden mukaan CoW-hybridisidos on kriittistä korkean kaistanleveyden muistin (HBM) tulevaisuudelle. HBM on DRAM-muistipino ohjauslogiikkasirun päällä (tällä hetkellä 8-12 die high). HBM sijoitetaan usein samaan pakettiin huippuluokan GPU:iden kanssa, ja se on kriittinen suurten kielimallien, kuten ChatGPT:n, käyttämiseen tarvittavan valtavan datan käsittelyssä. Nykyään HBM-suuttimet pinotaan käyttämällä microbump-tekniikkaa, joten jokaisen kerroksen välissä on pieniä juotospalloja, joita ympäröi orgaaniset täyteaineet.

Mutta koska tekoäly lisää muistin tarvetta, DRAM-valmistajat toivovat pinoavansa vähintään 20 kerrosta HBM-siruihin. Mikrokumppien ottama tilavuus tarkoittaa, että näistä pinoista voi nopeasti tulla liian korkeita, jotta ne mahtuvat kunnolla GPU-pakettiin. Hybridisidonta alentaa HBM:n korkeutta ja helpottaa ylimääräisen lämmön poistamista pakkauksesta, koska kerrosten välinen lämpövastus on pienempi.

ECTC:ssä Samsungin insinöörit osoittivat, että hybridisidos voi tuottaa 16-kerroksisen HBM-pinon. "Uskon, että tällä tekniikalla voidaan tehdä yli 20 kerroksen pinoja", sanoi Samsungin vanhempi insinööri Hyeonmin Lee. Myös muut uudet CoW-tekniikat auttavat tuomaan hybridisidoksen suuren kaistanleveyden muistiin.

Souriau sanoi, että CEA Letin tutkijat tutkivat niin kutsuttua itsekohdistustekniikkaa. Tämä auttaa varmistamaan hyvän CoW-yhteyden käyttämällä vain kemiallisia prosesseja. Jotkin kunkin pinnan osat tehdään hydrofobiseksi, kun taas toiset osat tehdään hydrofiilisiksi, jolloin pinta liukuu automaattisesti paikoilleen.

ECTC:ssä Northeastern Universityn ja Yamaha Roboticsin tutkijat raportoivat samankaltaisesta suunnitelmasta, jossa käytettiin veden pintajännitystä kohdistamaan 5 μm:n tyynyt kokeellisissa DRAM-siruissa paremmalla kuin 50 nm:n tarkkuudella.

Sekasidoksen yläraja

Tutkijat jatkavat lähes varmasti hybridiliitosten välien pienentämistä. Han-Jong Chia, TSMC:n polkuhakujärjestelmien projektipäällikkö, sanoi: "200 nm:n WoW-pituus ei ole vain mahdollista, vaan myös ihanteellinen TSMC aikoo tuoda markkinoille takapuolen tehontoimituksen teknologian kahden vuoden sisällä." Intel aikoo saavuttaa saman tavoitteen tämän vuoden loppuun mennessä. Tämä tekniikka sijoittaa sirun virransyöttöliitännät piipinnan alle sen yläpuolelle.

TSMC:n tutkijat laskivat, että jättämällä pois nämä virtajohdot, ylin kerros voisi paremmin yhdistää pienempiin hybridiliitostyynyihin. Takaosan voimansiirto, jossa käytetään 200 nm:n sidostyynyjä, vähentää 3D-liitännän kapasitanssia niin paljon, että energiatehokkuuden ja signaalin nopeuden mittaukset ovat 8 kertaa paremmat kuin mitä voidaan saavuttaa 400 nm:n sidottuilla tyynyillä.

Chip-on-wafer -hybridiliitos on hyödyllisempää kuin kiekko-kiekkoon yhdistäminen, koska sillä voidaan sijoittaa yhden kokoinen suulake suuremman muottikiekon päälle. Saavutettavissa oleva liitostiheys on kuitenkin pienempi kuin kiekkokiekkojen liittämisessä.

Chia sanoi, että jossain vaiheessa tulevaisuudessa, jos sidosväli kutistuu edelleen, "taitettavat" piirilohkot voivat tulla käytännöllisiksi. Jotkin lohkon nyt pitkistä yhteyksistä saattavat pystyä ottamaan pystysuorat pikakuvakkeet, mikä nopeuttaa laskentaa ja vähentää virrankulutusta.

Hybridisidos ei myöskään välttämättä rajoitu piihin. "Piikiekkojen piikiekkojen suhteen on edistytty nykyään paljon, mutta tarkastelemme myös galliumnitridin ja piikiekkojen ja lasikiekkojen välistä hybridisidosta… kaikki on mahdollista", CEA Leti's Souriau sanoi, että he jopa ehdottivat hybridisidosta kvanttilaskentaan lastut, johon kuuluu suprajohtavan niobiumin kohdistaminen ja sitominen kuparin sijasta.

Viitesisältö: https://spectrum.ieee.org/hybrid-bonding Palaa Sohuun nähdäksesi lisää