尖端芯片内部晶体管互连难题如何解决

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正如我们最近几个月看到的那样，世界正遭受芯片严重短缺的困扰，这影响了许多行业，主要是高度依赖该技术的汽车行业。这种稀缺性的原因之一是世界上很少有制造商能够制造我们所谓的最先进芯片。这主要是由于制造这种芯片所涉及的异常复杂。在本文中，我解释了这种复杂性的一个因素：需要将数十亿个晶体管正确连接在一起。大小与病毒相似。你会发现这件事几乎是科幻小说。

我们必须知道的第一条信息是尖端芯片中有多少晶体管。根据制造商的不同，该数字可以放置在每平方毫米芯片中大约 1 亿个晶体管。每当给出这些数字时，就会出现一个明显的问题：为什么我们想要越来越多的晶体管？在给定区域内拥有更多晶体管意味着，除其他原因外，可以在芯片中添加更多功能而无需扩大其尺寸。

微电子行业从一开始就习惯了我们认为进步不会停止，没有限制，当困难出现时，它们会很容易地克服，因为这个行业的本性是找到越来越令人惊讶和富有想象力的解决方案。但现在我们真的快到了极限，因为“它们的纳米已经用完了”。当跨越 <1 nm 的障碍时，行业将何去何从？这个问题非常关键，并且有一个“阴影”即将成为真正的瓶颈：经过审查的数十亿个晶体管如何相互连接？让我们看看问题是什么及其可能的解决方案。

一、芯片互连问题

每个晶体管都有三个端子，所有端子都必须正确连接，以便芯片执行其设计功能。当数量如此庞大时，我们需要几个“基板”的金属轨道来实现目标，这是一个真正的挑战，因为互连轨道必须只连接必要的端子，并且必须与其他连接很好地隔离以避免短路。当晶体管数量关闭时会发生什么？在下图中可以看到什么，它是具有五个“基板”或金属化层的芯片的横截面图：

图：芯片的横截面图，其中有五个“基板”或金属化层。晶体管位于图像的“底层”（标记为 FEOL），与外部世界的连接位于后端”。用于制作它们的每种材料都在右上角的框中指定。

为了互连如此多的晶体管，我们需要多层互连，其中金属轨道通过防止短路的绝缘层相互隔离。这就是世界上众所周知的“多级互连”，这是一种在 IBM 推出时已经生效了 25 年的范式。如您所见，晶体管位于芯片的第一层，“埋没”在无穷无尽的层中。IBM 引入的一方面是多级，另一方面是替代铝，用铜连接芯片层，因为这种材料的导电性比铝好，但电阻降低了 40%，从而提高了每个芯片的性能，因为互连中耗散的功率要小得多，因为它们从下游通过时所呈现的电阻。

定义连接晶体管的金属轨道的方式是使用一种称为光刻的技术完成的，通过这种技术，定义这些轨道的几何图案被转移到芯片上。绝对主导这个市场的制造商是欧洲的ASML。

5nm及以下节点的芯片制造商面临的问题是：随着晶体管数量的增加，互连轨道必须变得越来越细，这就是问题的开始：a 金属轨道对电流通过的阻力越来越大它变得更薄。反过来，如果我们有越来越多的晶体管与越来越细的轨道互连，问题就会失控。我将更详细地解释这一点：

从本质上讲，制造芯片由三个关键部分组成：晶体管、端子或“腿”之间的触点以及与外界的互连：

正如我们在上图中所见，晶体管位于芯片底部
晶体管之间的触点通过不同的层将所有晶体管相互连接。目前的芯片由不少于10层组成，目前最多不超过15层。
芯片与外界的互连，即与电脑、手机、GPS等主板的互连。

一些数字可以说明最先进芯片几乎无限的复杂性：其中一种器件的互连总长度约为 30 公里！分布在一个表面上，取决于芯片，范围为 4-8 cm²。在最先进的节点（5 nm）中，据台积电称，该长度可以达到 100 公里。想象这样的事情并不容易。

2. 我们是否再次达到极限？

通过减小晶体管的尺寸，它们之间的不同连接层必须更加坚固，它们必须对电流的通过表现出更小的阻力，并且它们的尺寸必须越来越小，这与晶体管尺寸的减小一致。并且这些要求彼此不相容：对电流通过的较低电阻与较小的互连尺寸相矛盾。下边这张图片，真实的说明了这一点：

图：英特尔 Broadwwll 芯片横截面的电子显微镜图像，采用14 纳米技术制造。显示了 13 个互连层。随着芯片设计的缩小，金属层变得更加复杂

通过减小每个晶体管的尺寸，将第一层连接到最后一层需要在层间越来越小的空间中具有相同或更好的导电性和导热性的新材料。在纳米尺度上减少晶体管意味着必须减少所有尺寸：晶体管的尺寸、互连的尺寸等。

也就是说，连接越来越小，尤其是将各个层连接在一起的路径，这增加了正确“填充”它们的难度，这反过来意味着填充它们并因此互连的金属更少层。，这导致对电流通过的更大阻力，呈螺旋状，似乎没有尽头。铜不再是参考材料，因为以所需的速度和精度传导电流变得完全不稳定。换句话说，你可以拥有几纳米尺寸的晶体管，但如果它们不能与合适的金属连接，你就无法制造出没有电损耗、泄漏或击穿的芯片，这会引发消耗或直接使其不切实际。

目前，钴或钌似乎是铜的可行替代品，但使用的技术目前未知或未经充分证实。如果有的话，这是微电子行业在未来 2-3 年面临的又一个挑战。毫无疑问，这个行业将继续为我们提供惊喜和想象，就像每次出现新的障碍时一样。

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