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Air Gaps:小题大作

作者:Peter Singer Semiconductor International主编   2007-09-11   点击:136

Peter Singer Semiconductor International主编  “理论上k的最小值是1,空气就是终极低k材料,这使得air gap(空气隙)成为每个互连研究人员的梦想。但是它们会成为一个美梦还是梦魇,将取决于它们在实际应用中的行为和可靠性。”这是IMEC的Ludo Deferm在2005年三月刊的Semiconductor International上做的评论,他准确地描述了air gap的处境。

  在过去的几个月内,关于air gap的讨论成为关注的焦点。原因是IBM在五月初宣布他们利用air gap来制造芯片的研究取得重大突破,结果表明,与传统技术相比,信号速度提高了35%,同时功耗降低了15%。“air gap”这个称呼并不十分恰当,因为gap实际上是没有空气的真空。而普通的空气必然包含湿气,可能会导致周围铜导线的腐蚀和退化。

  在五月末举办的微处理器论坛(Microprocessor Forum)上,Intel的高级院士、工艺架构和集成主管Mark Bohr发表主题演讲,表示并不看好air gap技术。他断言:“互连的成本和可靠性问题是极其关键的,我不认为air gap能解决这些问题。我们正在探寻现有电介质的低k版本——我认为这比ai

r gap技术更有前途。”

从这款微处理器的截面图中可以看出在芯片导线之间存在空白区域这些air gap可以降低电容实际上它们是真空而非被空气填充从而使信号速度提升35%功耗降低15%


  在六月的国际互连技术会议(International Interconnect Technology Conference,IITC)上,air gap技术的优缺点成为讨论的焦点。IBM的院士、air gap项目首席科学家Dan Edelstein,在Applied Materials公司主办的专题研讨会上回应了Bohr的评论,他说相关的成本并没有想象中的那么高,因为它只被应用于最关键的层中。此外,虽然在早先宣布时强调“自组装”方法,但实际上用两层简单便宜的掩膜版也可以制造出air gap。

  用于互连的air gap,和一种用于制造具有最低寄生电容的晶体管、被称作“Silicon on Nothing(SoN)”的类似技术,已经被正式研究了至少6年。不过IBM宣称正在将air gap投入生产,这是非常显著的进步——领先于目前已被证实的技术。IBM声称自组装工艺已被集成到该公司位于East Fishkill的先进生产线上,并预计在2009年完全并入IBM的芯片生产线中。这些芯片将被用于IBM的服务器产品线,然后用于IBM为其它公司制造的芯片。

  IBM将“自组装”工艺比作海贝、雪花和牙釉质等自然的图案形成过程,这种工艺能够实现形成gap所需的纳米图案。“这是人们首次证明能够合成大量的自组装聚合物,并将它们集成到现有制造工艺中,而且还能保持足够高的成品率。”Edelstein说:“通过将自组装技术从实验室转移到fab,我们能够制造出的芯片,比现有材料和设计结构所允许的芯片更小、更快和功耗更低。”

  这种专利工艺为化合物以直接的方式进行组装提供了合适的环境,能够在整个300mm硅片上制作出数以十亿计的均匀的20nm空洞。在形成空洞之后,再移除碳硅酸盐玻璃,就能在导线之间产生真空。

  在我们的姐妹出版物Electronic News上的一篇评论中,IBM系统和技术事业群的副主席兼首席技术专家Bernie Meyerson这样来解释这种工艺:“air gap是可行的。它已被用于制造真正的微处理器,而不只是几块样品芯片。有趣的是它并不需要依靠光刻来定义图案——这是可想象得到的最贵的芯片制造方法。air gap实际上是建立在纳米技术,或更明确地说是自组装的基础之上。自组装还未被很好地了解,许多公司(包括英特尔)在该领域都不擅长。自组装以材料偏析为基础。我们发明了一种聚合物,如果对它进行适当地加热,就会偏析成两种化学性质不同的材料。这些从聚合物偏析出来的材料会形成非常均匀的、约有100个原子那么大的结块。这些结块具有与剩下的基质完全不同的化学成分。它们相互排斥,因此可以获得由它们组成的完美对称阵列。然后用一种刻蚀剂选择性地只刻蚀掉这些结块,就可以制作出世界上最精美的瑞士硬干酪。”

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