מודל חדש לניבוי מדויק של פיזור החום בחיבורי הביניים (Back-end-of-line) של השבב
- עם התקדמות מזעור השבבים, הופך בהדרגה החום שנוצר בחיבורי הביניים לגורם מגביל, המסכן את אמינותו של השבב.
- קיים מחסור במודלי ניבוי מדויקים, עם רזולוציה מרחבית מספקת ושלא דורשים כוח מחשוב מיוחד.
- Imec מציגה מודל חדש לניבוי מדויק של פיזור החום בחיבורי ביניים (BEOL) של שבבים מתקדמים, תוך התחשבות בהשפעה ההדדית על הטרנזיסטורים בתאי הלוגיקה (FEOL) ובצורת אריזת השבב.
- מאמר זה מתאר את המודל ויתרונותיו לעתיד המחקר והפיתוח. בפרט, מתאר המאמר את יחסי הגומלין בין שכבות קדחי מעבר ובידוד בעלות מקדם דיאלקטרי נמוך, להתנגדות התרמית של חיבורי הביניים.
מזעור השבבים מוביל להתלהטות חיבורי הביניים (BEOL) שהופכת בהתמדה לבעיה שמסכנת את אמינות השבב
חיבורי הביניים נוצרים מתהליך מורכב בשם Back-end-of-line (או בקיצור BEOL) ומטרתם היא לחבר בין הטרנזיסטורים לצורך אספקת חשמל, הארקה והעברת אותות. השבב בנוי משכבות מתכת שונות המכילות חיבורים מקומיים (Mx), חיבורי ביניים (My) וחיבורים כלליים למחצה (Mz). השבב בנוי מעד 15 שכבות, כשמתוכן 3 עד 6 הן בדרך כלל שכבות Mx. בכל שכבה מוליכה מסודרים פסי המתכת בכיוון אחד וביניהם שכבת בידוד של חומר דיאלקטרי. השכבות מחוברות ביניהן באמצעות קדחים אנכיים ממולאים במתכת.
המשך מזעור הטרנזיסטורים בשלב ה־FEOL מוביל למזעור חיבורי הביניים בשלב ה־BEOL, והתיילים הופכים לדקים וצפופים יותר. הצפיפות ותופעת עיכוב האות (בשל עליה בקבוע הזמן במעגל ה־RC) הפכו לצווארי בקבוק מוכרים, המקשים על המשך מזעור חיבורי הביניים.
ואולם, מזה זמן מה שתעשיית ייצור השבבים מוטרדת דווקא מתופעה אחרת: עלייה בהתנגדות התרמית של חיבורי הביניים, שמובילה להתלהטות פסי המתכת. התלהטות פסי המתכת עלולה לפגוע באופן משמעותי באמינות השבב מכיוון שככל שהטמפרטורה עולה, כך מתדרדרת אמינות חיבורי הביניים (בשל סחיפת יונים וסחיפת מאמץ היוצרת חורים במתכת) והטרנזיסטורים (בשל תופעת ה־NBTI).
תאי הלוגיקה – הטרנזיסטורים – הם אלה שפולטים את רוב החום בשבב. כיום, פליטת ההספק של תאי הלוגיקה היא כ־10 ואט/ממ”ר וחלק מהחום הזה מתפזר לכיוונם של חיבורי הביניים הסמוכים [1,2]. גם הזרמים שעוברים דרך מחברי הביניים לצורך אספקת חשמל או העברת אותות, מחממים את המוליכים בתופעה הנקראת חימום־ג’ול. הבעיה מחמירה עם כל מזעור נוסף של תהליך הייצור, מכיוון שגדלה ההתנגדות החשמלית של קדחי המעבר ופסי המתכת של חיבורי הביניים. הדרישה לצפיפות זרם הולכת וגדלה ומוליכות החום הנמוכה של חומרים עם מקדם דיאלקטרי נמוך רק מחריפות את הבעיה.
נדרש מודל ניבוי מדויק
באופן מסורתי, ניתוח ההתנהגות התרמית של הטרנזיסטורים וחיבורי הביניים נעשה באמצעות מודלים פשוטים, שהורצו בנפרד זה מזה ומדדו רק את השפעתו של הטרנזיסטור הראשון בשכבת המתכת הראשונה (M1). הגישה הזאת צרה מדי וכבר לא מספיקה. ולא רק זאת, אלא שהאתגר רק מחריף ברקע פיתוחים חדשים בתחום ייצור השבבים, שלא צפויים לשפר את בעיית מוליכות החום, כמו לדוגמה, המעבר לשימוש בכיסי אוויר כשכבה המבודדת במקום חומר דיאלקטרי, כדי לשפר את עיכוב האות או הגדלה נוספת של מספר שכבות המתכת בשבב. כמו כן, בשבבים המסודרים במבנה תלת־ממדי מתקדם, חיבורי הביניים הם אלה שתורמים הכי הרבה להתנגדות התרמית. גם לפיתוחים עתידיים, ובהם שימוש בגב פרוסת הסיליקון לאספקת חשמל לטרנזיסטורים ומבני טרנזיסטורים חדשים (כמו שערים מקיפים מכל הכיוונים), יכולה להיות השפעה, חיובית או שלילית, על התחממות פסי המתכת.
נדרש מודל אמין ומדויק יותר לניבוי השפעתם של החידושים האלה על פיזור החום בשבב וכדי להבין טוב יותר כיצד מתפשט החום בחיבורי ביניים דקים. המודל צריך לאפשר לנו לזהות מיהם המרכיבים שתורמים הכי הרבה להתחממות, לחזות כיצד המשך מזעור תהליך הייצור יגדיל את ההתנגדות התרמית של חיבורי הביניים ולסייע לנו להמליץ על מבנה חיבורי בינים חדש, שישפר את פיזור החום וימנע התלהטות.
גישה רב־שלבית על בסיס מודלים מכוילים
חוקרי imec נוקטים בגישה מודולרית להערכת התכונות התרמיות של חיבורי הביניים. הם פיתחו מודלים למדידת התכונות התרמיות של החומרים, כשכל מודל מתאים לגודל תהליך ורמת פירוט שונים. אפשר להשתמש בכל מודל באופן עצמאי, בהתאם לתרחיש השימוש שאותו רוצים לבדוק; ואפשר להזין תוצאה של מודל אחד כקלט של המודל הבא וכך לבצע ניתוח מלא של ההתנהגות התרמית של חיבורי הביניים. את תוצאות המידול מצליבים עם תוצאות ניסויים שבהם נבדקו חומרים וגדלים שמעניינים את תעשיית ייצור השבבים, ומשמשות לכיול המודלים ושיפור איכות הניבוי בעתיד.
סקירת המודלים השונים
בשלב הראשון, השתמשו החוקרים בתורת פונקציונל הצפיפות (DFT), כדי לחקור את החומרים ברמת האטום. בעזרת המודל הזה, מיפו החוקרים את תכונות היסוד של האלקטרונים והפונון, שהם נשאי החום שמעבירים את האנרגיה התרמית בחומר.
בשלב הבא, פיתחו חוקרי imec מודל על בסיס משוואת ההולכה של בולצמן (BTE), לניבוי הולכת החום בחומרים שונים ובגודלי תהליך שונים: מיקרומטר עד ננוטמטר. המודל מציג גם את ההתנהגות התרמית בקנה מידה ננומטרי. אל המודל מוזנות התכונות הפיזיקליות של מתכות וחומרים דיאלקטרים, כפי שנמדדו בניסויים ייעודיים. עבור חומרים דיאלקטריים, נעשה שימוש בשיטת ה־3w, כדי למדוד במדויק את ערכי מוליכות החום. כך למשל התקבל ערך של 1.15W/mK עבור SiO2 וערך של 0.3W/mK עבור OSG 3.0 (זכוכית סיליקט אורגני עם מקדם דיאלקטרי 3.0).
בשלב השלישי, עוברים להתמקד החוקרים בשטח גדול יותר של חיבורי הביניים. התכונות התרמיות של מערך חיבורי הביניים מחושבות בעזרת מודל תלת־ממדי, בשיטת ניתוח אלמנטים סופיים (FEM), המכויל באמצעות תוצאות מדידת החימום העצמי. שלב זה מאפשר למפות את מוליכות/התנגדות החום של מערך חיבורי הביניים כולו ושל כל שכבה בנפרד, וכך מאפשר להעריך במהירות עד כמה יתחממו חיבורי הביניים.
תמונה 1: הצגה גרפית של שיטת המודל התרמי המשולב. מודלים על בסיס תורת פונקציונל הצפיפות (DFT), משוואת ההולכה של בולצמן (BTE) ומודל ניתוח אלמנטים סופיים (FEM,) משמשים למדידת התכונות התרמיות בגודלי תהליך שונים.
כדי להעריך במדויק כיצד מתפשט החום בחיבורי הביניים, צריך המודל להתחשב גם בהחלפת החום בין הטרנזיסטורים לחיבורי הביניים הסמוכים להם. לשם כך, פיתחו החוקרים ב־imec שיטה מתאימה והצימוד התרמי הזה נוסף כשכבה נוספת למודל ניתוח האלמנטים הסופיים (FEM).
יישום המודל: מגמות ותובנות
מוליכות החום של היסודות המתכתיים יורדת בצורה חדה ברוחב פס <10 ננומטר
על פי מודל משוואת ההולכה של בולצמן, ככל שקטן רוחב פס המתכת, כך קטנה גם מוליכות החום שלו. בכל היסודות המתכתיים שנבדקו, מוליכות החום ירדה באופן משמעותי עם ההגעה לפסים ברוחב 10 ננומטר לערך, שהוא רוחב הפס המשמש בשכבת חיבורי הביניים המקומית בתהליכי ייצור מתקדמים. גרף המציג את המגמה הזאת מובא בתמונה 1 (מרכז).
לחומרים בעלי מקדם דיאלקטרי נמוך, קדחי המעבר וחיבורי ביניים בשכבת ה־My יש את התרומה הגדולה ביותר להתחממות שבב הבנוי מ־14 שכבות
המודל הרב־שלבי שימש להערכת ההתנהגות התרמית של שבב הבנוי מ־14 שכבות בתהליך ייצור מתקדם. המחקר הוביל לתובנות מעניינות באשר לאופן שבו משפיעים מבנה מערך חיבורי הביניים ותהליך הייצור על עליית הטמפרטורה.
שכבות החומר הדיאלקטרי שבין שכבות המתכת תורמות הכי הרבה להתחממות השבב. נצפתה עלייה חדה בטמפרטורות חיבורי הביניים, כאשר מוליכות החום של שכבות החומר הדיאלקטרי בין שכבות המתכת ירדה מתחת ל־1W/mK. זהו טווח ערכי מוליכות החום של החומרים הדיאלקטריים המשמשים כיום בתעשייה, כמו למשל OSG 3.0. התופעה מחמירה עוד יותר במעבר לכיסי אוויר (כמו למשל בתהליך הייצור A14), בשל מוליכות החום הגרועה של האוויר. הדמיות מראות עלייה בשיעור של 80% בחימום העצמי של פס המתכת. לעומת זאת, לזהות – כלומר לסוג המתכת – הייתה רק השפעה שולית על פליטת החום.
תמונה 2: התחממות חיבורי הביניים כפונקציה של ערך מוליכות החום של שכבות החומר הדיאלקטרי.
תמונה 3: השפעת כיסי אוויר על החימום העצמי של חיבורי הביניים
אי אפשר להתעלם מהשפעת סידור קדחי המעבר וצפיפותם. הגדלת צפיפות קדחי המעבר משפרת את פיזור החום בין שכבות חיבורי הביניים. השפעה דומה נצפתה גם בסידור קדחי המעבר, כך שיהיו מיושרים זה עם זה לכל גובה המבנה. מבנה כזה מיושם בדרך כלל בשכבות חיבורי הביניים הכלליות (Mz) המשמשות לאספקת חשמל לכל מרכיבי השבב. הגדלת האי־סדר, כמו הסידור המשמש בדרך כלל לצורך העברת אותות בשכבות Mx ו־My, מובילה לעלייה בטמפרטורת שכבות חיבורי הביניים.
תמונה 4: מודל תלת־ממדי של ניתוח אלמנטים סופיים (FEM) בשבב פשוט, כשקדחי המעבר מסודרים בשלוש צורות שונות.
ולסיום, כשנעשה שימוש בחומרים עם מקדם דיאלקטרי נמוך כחומר המבודד בשכבות My – לשכבות My התרומה הגדולה ביותר להתנגדות התרמית של השבב כולו. אי לכך, ההזדמנות הטובה ביותר לשיפור ההתנהגות התרמית של השבב טמונה בשכבות ה־My. כמו כן, מאמת הניתוח את השפעתם של קדחי מעבר: בשבב הבנוי מ־14 שכבות, אחראים קדחי המעבר ל־86% מההתנגדות התרמית של חיבורי ביניים, בעוד ששכבות הפסים המתכתיים תורמות רק 14%. כאן חשוב לזכור כי ההתנגדות התרמית של שכבה מוגדרת כעובי השכבה חלקי מוליכות החום שלה.
תמונה 5: תרומתה של כל שכבה להתנגדות התרמית של השבב. בשימוש ב־SiO2 כחומר הדיאלקטרי בכל השכבות, ההתנגדות התרמית הגבוהה ביותר נמדדה בשכבות Mz, בשל עוביין ועל אף שקדחי המעבר מיושרים זה עם זה לכל גובה השבב. עם זאת, במעבר לשימוש בחומר עם מקדם דיאלקטרי נמוך (3.0) בשכבות ה־My, לשכבות My הייתה התרומה הגדולה ביותר למוליכות החום של השבב.
החלפת חום בין הטרנזיסטורים וחיבורי הביניים תלויה מאוד באריזת השבב ובפתרון הקירור
טמפרטורת פסי המתכת היא שילוב של החימום העצמי של חיבורי הביניים והחום שפולטים הטרנזיסטורים. החלפת חום בין הטרנזיסטורים וחיבורי הביניים תלויה מאוד באריזת השבב ובפתרון הקירור שנועד לפזר את החום שנפלט מהשבב; או במילים אחרות: ביישום. הרצנו את המודל על שלושה שבבים מוטלים (Flip-chip), שלכל אחד פתרון קירור שונה.
בתרחיש הראשון, מעטפת השבב קוררה בהולכת חום טבעית מחלקה העליון של האריזה, שהוא הקרוב ביותר לטרנזיסטורים. בתרחיש השני, נוספה מסגרת מתכת חיצונית לשיפור הולכת החום לחלקה העליון של האריזה. בתרחיש השלישי, הותקן פתרון קירור פעיל בחלקה העליון של האריזה. התרחיש הראשון והשני מדמים פתרונות קירור המשמשים במכשירים ניידים, בעוד שהתרחיש השלישי מדמה פתרונות קירור המשמשים במערכות מחשוב עתירות ביצועים, שבהן נעשה שימוש בפתרונות קירור יזום.
תמונה 6: שלושה תרחישי קירור של השבב: (a) הולכת חום טבעית דרך חומר האריזה; (b) הולכת חום טבעית דרך חומר האריזה, בעזרת מסגרת מתכת חיצונית לשיפור הולכת החום; ו־(c) פתרון קירור יזום המותקן ישירות על השבב. כמו כן, נלקחה בחשבון ההתנגדות התרמית שהתקבלה בתוצאות הניסויים.
בתרחיש הראשון, רוב החום שנוצר בטרנזיסטורים מפונה דרך חיבורי הביניים לכיוון חלקה העליון של האריזה שאליה מחובר השבב. במילים אחרות: פתרון הקירור הזה מוביל להתנגדות תרמית גדולה בטרנזיסטורים ולחימום עצמי של חיבורי הביניים. התרחיש השני והשלישי משפרים את הולכת החום לכיוון חלקו העליון של השבב ומובילים לירידה בשיעור 40% ו־90%, בהתאמה, בטמפרטורת השבב, במתח עבודה נתון, אך מקטינים רק במעט את החימום העצמי של מחברי הביניים.
כלי שימושי למיטוב הטכנולוגיה (STCO)
כפי שהוסבר במאמר זה, אפשר להשתמש בכל מודל בנפרד, בהתאם לגודל תהליך הייצור שבו מתעניינים. כך לדוגמה: אפשר להשתמש במודל תלת הממד של ניתוח אלמנטים סופיים (FEM), כדי לפשט את המבנה של חיבורי הביניים ולחקור את ההתנהגות התרמית של שיטות מטליזציה מתקדמות יותר בשכבה המקומית, כמו שיטת Semi-damascene. כמו כן, אפשר להעריך שיטות ניתוב והזנת חשמל חלופיות – כמו אספקת חשמל בגב פרוסת הסיליקון – על ידי הזנת תצורות אריזה שונות במודל האריזה.
בסיכומו של דבר, הקטנת צווארי החום התרמיים בשבב תוביל להגדלת ביצועי המערכת. המודלים שהוצעו במאמר זה יסייעו בזיהוי המרכיבים הטכנולוגיים שיכולים להסיר את צווארי הבקבוק האלה. למודלים יהיה תפקיד מרכזי בתהליך מיטוב תכנון הטכנולוגיה התלת־ממדי (DTCO) ולבסוף גם בתהליך מיטוב טכנולוגיית המערכת (STCO) של imec עבור שימושים מסוימים.
