новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Отчет о сердце машины

Монтажер: Зенан, Сяочжоу

Создайте миллионы соединений на квадратном миллиметре кремния.

От нанометров до ангстрем производители микросхем делают все возможное, чтобы уменьшить размер схем. Но для нашей растущей потребности в вычислительной мощности технология, включающая более крупные размеры (сотни или тысячи нанометров), может оказаться столь же важной в ближайшие пять лет.

Технология, называемая прямым гибридным соединением, объединяет два или более чипа в одном корпусе для создания так называемых 3D-чипов. Хотя скорость сокращения количества транзисторов замедляется из-за постепенного нарушения закона Мура, производители микросхем все еще могут увеличивать количество транзисторов в процессорах и памяти другими способами.

В мае на конференции IEEE по электронным компонентам и технологиям (ECTC) в Денвере исследовательские группы со всего мира представили различные с трудом достигнутые улучшения в этой технологии, некоторые из которых показали, что плотность соединений между сложенными 3D-чипами может достигать рекордных уровней: около. 7 миллионов соединений на квадратный миллиметр кремния.

Все эти соединения необходимы из-за новых достижений в области полупроводниковых технологий, сообщил И Ши из Intel на ECTC. Закон Мура теперь регулируется концепцией под названием «Совместная оптимизация системных технологий» (STCO), согласно которой функции чипа (такие как кэш, ввод-вывод и логика) производятся отдельно с использованием самых современных процессов. Эти подсистемы затем можно собрать с использованием гибридного соединения и других передовых технологий упаковки, чтобы они вели себя как единый кусок кремния. Но это возможно только при наличии соединений высокой плотности, которые могут передавать данные между отдельными частями кремния с небольшой задержкой или потреблением энергии.

Гибридное склеивание обеспечивает самую высокую плотность вертикальных соединений среди всех передовых упаковочных технологий. Таким образом, это самая быстрорастущая область современной упаковочной индустрии, и Габриэлла Перейра, аналитик по технологиям и рынку Yole Group, заявила, что к 2029 году размер рынка в этом направлении увеличится более чем в три раза и составит 38 миллиардов долларов. Ожидается, что к тому времени гибридные облигации будут занимать около половины рынка.

При гибридном соединении на верхней поверхности каждого чипа располагаются медные площадки. Медь окружена изолирующим слоем (обычно из оксида кремния), а сама площадка немного утоплена в поверхность изолирующего слоя. После химической модификации оксида две стружки прижимаются друг к другу так, чтобы площадки каждой выемки совпадали. Затем сэндвич медленно нагревается, в результате чего медь расширяется в зазор и плавится, соединяя два чипа.

1. Гибридное соединение начинается с двух пластин или одного чипа и одной пластины, обращенных друг к другу. Сопрягаемые поверхности покрыты оксидным изолирующим слоем и слегка утопленными медными контактами, которые соединяются с межсоединяющими слоями чипа.

2. Сожмите пластины вместе, чтобы образовались первоначальные связи между оксидами.

3. Затем сложенные пластины медленно нагревают, чтобы оксиды прочно соединились, а медь расширилась, образуя электрические соединения.

а. Чтобы создать более прочную связь, инженерам необходимо сгладить последние несколько нанометров оксида. Даже небольшие выпуклости или деформации могут нарушить плотные соединения.

б. Медь должна быть утоплена в поверхность оксида до нужной степени. Слишком много, и соединение не образуется, слишком мало, и пластина разлетится. Исследователи изучают, как контролировать медь вплоть до уровня отдельных атомных слоев.

в. Первоначальное соединение между пластинами представляет собой слабую водородную связь. После отжига соединение становится прочной ковалентной связью. Исследователи ожидают, что использование другого типа поверхности, например карбонитрида кремния, обеспечит больше мест для образования химических связей, что приведет к более прочному соединению между пластинами.

d. Последний этап гибридного соединения может занять несколько часов и требует высоких температур. Исследователи надеются снизить температуру и сократить время процесса.

д. Хотя медь на двух пластинах прижимается друг к другу, образуя электрическое соединение, границы зерен металла обычно не пересекаются с одной стороны на другую. Исследователи пытаются сформировать на границах крупные монокристаллические частицы меди, чтобы улучшить проводимость и стабильность.

Гибридное соединение может либо соединить один чип одного размера с пластиной, заполненной чипами большего размера, либо связать вместе две полные пластины одинакового размера. Конечно, последний процесс более зрелый, чем первый, отчасти из-за его использования в чипах камер. Например, инженеры европейской исследовательской организации в области микроэлектроники Imec создали одни из самых плотных соединений между пластинами, когда-либо созданных, с расстояниями (или шагами) соединения всего 400 нанометров. Однако компания Imec добилась шага соединения чипа с пластиной всего лишь в 2 микрона.

Это огромное улучшение по сравнению с современными 3D-чипами, выпускаемыми сегодня (шаг соединений составляет около 9 микрон). И это больший шаг вперед, чем предыдущее поколение технологий: «микрошишки» припоя с интервалом в десятки микрон.

«После того, как оборудование станет доступным, будет легче совмещать пластины с пластинами, чем выравнивать чипы с пластинами. Большинство микроэлектронных процессов выполняются на всей пластине», — сказал Жан-Шарль, глава отдела интеграции и упаковки во французском исследовательском институте CEA Leti. Сурио. Но технология «чип-пластина» (или «чип-пластина») может проявить себя в высокопроизводительных процессорах, например, в процессорах AMD, которая использует новую технологию для сборки вычислительных ядер и кэшей в своих передовых процессорах и ускорителях искусственного интеллекта.

Чтобы сделать расстояние все ближе и ближе в обоих случаях, исследователи сосредоточились на том, чтобы сделать поверхности более плоскими, что позволит склеенным пластинам лучше склеиваться друг с другом и сократит общее время и сложность процесса. Если это сделать правильно, это может революционизировать способ проектирования чипов.

Вау, уменьши интервал

Недавние исследования «вафля на пластине» (WoW) позволили достичь самых малых значений шага — от 360 до 500 нанометров, — что означает приложить много усилий к одной вещи: плоскостности. Чтобы соединить две пластины с точностью до 100 нанометров, вся пластина должна быть почти полностью плоской. Если он хотя бы слегка согнут или перекручен, вся деталь не соединитесь.

Для выравнивания пластины требуется процесс, называемый химико-механической планаризацией (ХМП). Это имеет решающее значение для производства микросхем, особенно для создания слоев межсоединений над транзисторами.

«CMP — это критический параметр в гибридной связи, который мы должны контролировать», — сказал Сурио. Результаты, представленные на ECTC, показывают, что CMP выводится на другой уровень, не только выравнивая всю пластину, но и уменьшая округлость изолирующего слоя между медными контактными площадками до нанометрового уровня, чтобы обеспечить лучшие соединения.

Другие исследователи работают над тем, чтобы эти плоские части можно было достаточно прочно соединить друг с другом. Они пробовали использовать различные материалы для поверхности, такие как карбонитрид кремния вместо оксида кремния, и использовали разные протоколы для химической активации поверхности. Первоначально, когда пластины или чипы спрессовываются вместе, они удерживаются вместе относительно слабыми водородными связями, и возникает вопрос, останутся ли они на месте во время дальнейших этапов обработки. После соединения пластина и чип медленно нагреваются — процесс, называемый отжигом, предназначенный для образования более прочных химических связей. Насколько сильны эти связи – и даже как их понять – является предметом большей части исследований, представленных на ECTC.

Окончательная прочность соединения частично зависит от медных соединений. Этап отжига заставляет медь расширяться в зазорах, образуя проводящие мостики. Сын Хо Хан из Samsung объясняет, что контроль размера разрыва является ключевым моментом. Расширьтесь слишком мало, и медь не расплавится; если расшириться слишком сильно, пластина разлетится. Это вопрос наномасштаба, и Хан сообщает о работе над новым химическим процессом, который, как он надеется, позволит добиться этого путем травления одного атомного слоя меди за раз.

Качество связи также важно. Металл в межкомпонентных соединениях чипа не представляет собой монокристалл, а состоит из множества зерен, ориентированных в разных направлениях. Даже после расширения меди границы зерен металла обычно не переходят с одной стороны на другую. Такое пересечение должно снизить сопротивление соединения и повысить его надежность. Исследователи из Университета Тохоку в Японии сообщают о новой металлургической схеме, которая в конечном итоге может производить большие монокристаллы меди, пересекающие границы. «Это огромное изменение», — сказал Такафуми Фукусима, доцент Университета Тохоку в Японии. «Сейчас мы анализируем причины этого».

Другие эксперименты, обсуждавшиеся на ECTC, были направлены на упрощение процесса склеивания. Некоторые пытались снизить температуру отжига, необходимую для образования связей (обычно около 300 °C), чтобы минимизировать риск повреждения чипа в результате длительного нагрева. Исследователи из Applied Materials описывают достижения в методе, который может значительно сократить время, необходимое для отжига — с часов до всего 5 минут.

Отличный коровник

Imec использует плазменное травление, чтобы разрезать стружку и придать ей скошенные углы. Эта технология исключает механическое напряжение, которое может помешать склеиванию.

В настоящее время гибридное соединение «чип-на-подложке» (CoW) более полезно для производителей современных процессоров и графических процессоров: оно позволяет производителям микросхем собирать чиплеты разных размеров и соединять каждый чип перед соединением его с другим. Не создаст проблем. Ведь одна неисправная деталь может обречь на гибель весь дорогой процессор.

Но у CoW есть все трудности WoW, но меньше возможностей их смягчить. Например, CMP предназначен для выравнивания пластин, а не отдельных чипов. После того, как матрица вырезана из исходной пластины и протестирована, можно сделать меньше для улучшения ее готовности к склеиванию.

Тем не менее, исследователи из Intel сообщили о гибридном соединении CoW с шагом 3 мкм, и, как упоминалось выше, команда Imec успешно достигла шага 2 мкм, в первую очередь за счет того, что переносимые матрицы были очень плоскими, пока они все еще были прикреплены к пластинам, и сохраняли их чистыми на протяжении всего процесса. .

Обе команды использовали плазменное травление для резки стружки, а не обычный метод распиловки (лезвием). В отличие от распиловки, плазменное травление не приводит к сколам кромок, создавая мусор, который может помешать соединению. Это также позволило команде Imec придать форму чипу, создав скошенные углы для снятия механического напряжения, которое могло повредить соединения.

По мнению нескольких исследователей ECTC, гибридное соединение CoW имеет решающее значение для будущего памяти с высокой пропускной способностью (HBM). HBM представляет собой стек кристаллов DRAM поверх управляющей логической микросхемы (в настоящее время 8-12 кристаллов). HBM часто размещается в одном пакете с высокопроизводительными графическими процессорами и имеет решающее значение для обработки огромных данных, необходимых для запуска больших языковых моделей, таких как ChatGPT. Сегодня штампы HBM укладываются друг на друга с использованием технологии microbump, поэтому между каждым слоем находятся крошечные шарики припоя, окруженные органическими наполнителями.

Но поскольку ИИ еще больше увеличивает требования к памяти, производители DRAM надеются разместить в чипах HBM 20 или более слоев. Объем, занимаемый микровыступами, означает, что эти стопки могут быстро стать слишком высокими, чтобы правильно вписаться в корпус графического процессора. Гибридное соединение уменьшает высоту HBM и облегчает отвод избыточного тепла от упаковки, поскольку термическое сопротивление между слоями будет меньше.

На выставке ECTC инженеры Samsung продемонстрировали, что гибридное соединение позволяет создать 16-слойный стек HBM. «Я думаю, что с помощью этой технологии можно создавать стопки из более чем 20 слоев», — сказал Хёнмин Ли, старший инженер Samsung. Другие новые технологии CoW также помогают внедрить гибридное соединение в память с высокой пропускной способностью.

Сурио сказал, что исследователи из CEA Leti изучают так называемую технологию самовыравнивания. Это поможет обеспечить хорошее соединение CoW, используя только химические процессы. Некоторые части каждой поверхности будут сделаны гидрофобными, а другие — гидрофильными, в результате чего поверхность автоматически скользит на место.

В ECTC исследователи из Северо-Восточного университета и компании Yamaha Robotics сообщили о работе над аналогичной схемой, в которой поверхностное натяжение воды используется для выравнивания 5-микронных площадок на экспериментальных чипах DRAM с точностью выше 50 нм.

Верхний предел смешанного сцепления

Исследователи почти наверняка продолжат сокращать расстояние между гибридными связями. Хан-Джонг Чиа, руководитель проекта по поиску систем в TSMC, сказал: «Шаг 200 нм WoW не только возможен, но и идеален. TSMC планирует в течение двух лет запустить технологию, называемую обратной подачей энергии». Intel планирует достичь той же цели к концу этого года. Эта технология размещает межсоединения подачи питания чипа под поверхностью кремния, а не над ней.

Исследователи TSMC подсчитали, что, исключив эти силовые каналы, самый верхний слой сможет лучше соединяться с меньшими гибридными контактными площадками. Передача с обратной стороной с использованием контактных площадок 200 нм уменьшит емкость 3D-соединения настолько, что измерения энергоэффективности и скорости сигнала будут в 8 раз лучше, чем то, что может быть достигнуто с использованием контактных площадок 400 нм.

Гибридное соединение чип-пластина более полезно, чем соединение пластина-пластина, поскольку позволяет разместить кристалл одного размера на пластине кристалла большего размера. Однако достижимая плотность соединения ниже, чем при соединении пластин на пластине.

Чиа сказал, что в какой-то момент в будущем, если шаг соединения еще больше уменьшится, «складывающиеся» схемные блоки могут стать практичными. Некоторые из теперь уже длинных соединений внутри блока могут иметь возможность сокращаться по вертикали, что ускоряет вычисления и снижает энергопотребление.

Кроме того, гибридное соединение может не ограничиваться кремнием. «Сегодня достигнут большой прогресс в области кремния на кремниевых пластинах, но мы также рассматриваем гибридную связь между нитридом галлия и кремниевыми пластинами и стеклянными пластинами… все возможно», — сказал Сурио из CEA Leti. Они даже предложили гибридную связь для квантовых технологий. компьютерные чипы, в ходе которых выполняется выравнивание и соединение сверхпроводящего ниобия вместо меди.

Справочный контент: https://spectrum.ieee.org/hybrid-bonding Вернитесь в Соху, чтобы увидеть больше.