211service.com
Bedrading maken die computerchips niet doet struikelen
Terwijl chipmakers geïntegreerde schakelingen agressief verkleinen om steeds meer rekenkracht te bieden, lag de nadruk vooral op het verbeteren van transistors. Maar de prestaties zijn ook beperkt door de koperen bedrading die informatie rond de chips pendelt.
Vandaag, bij de Semicon West conferentie in San Francisco, maker van halfgeleiderapparatuur Toegepaste materialen heeft een tool aangekondigd waarvan het zegt dat het een deel van dit probleem oplost door chipdraden te maken die minder fouten bevatten. Industrie-watchers zeggen dat de nieuwe technologie op korte termijn dure productieproblemen kan voorkomen.
Transistors zijn beter geworden naarmate ze kleiner zijn geworden, en koperdraden zijn erger geworden, zegt Robert Geer , hoogleraar nanoschaalwetenschap aan de State University van New York in Albany. Naarmate deze draden, ook wel interconnects genoemd, dunner worden, neemt hun elektrische weerstand toe. De draden die signalen rond ultramoderne geïntegreerde schakelingen transporteren, zijn nu de belangrijkste bronnen van stroomverbruik, warmteontwikkeling en signaalvertragingen.
Omdat interconnects zijn gekrompen, zijn ze ook lastiger te bouwen geworden. Het is dit fabricageprobleem dat de nieuwe machines van Applied Materials beloven aan te pakken. De krachtigste computerchips van vandaag zitten boordevol miljarden transistors van 20 nanometer. Bovenop de transistors zijn tientallen isolerende lagen gestapeld met koperen bedrading. Op hun kleinste punt, waar de draden aansluiten op de transistors, zijn deze draden ook ongeveer 20 nanometer.
Deze draden worden laag voor laag opgebouwd door koper af te zetten in cilindrische gaten in de isolerende laag. Terwijl het koper in de kleine maar diepe gaatjes komt die nodig zijn voor de volgende generatie chips, hebben zich kleine belletjes gevormd, een catastrofaal defect.
De chips van tegenwoordig bevatten zo'n 100 kilometer koperen bedrading, dus de kans op fouten is enorm. En als een van deze draden niet werkt vanwege een fout in één laag - iets dat onmogelijk te detecteren is totdat de chip is voltooid en getest - moet de chip worden weggegooid. Kleine fouten hebben een groot prijskaartje: defecten van één per miljard leiden tot een opbrengstdaling van 25 procent, zegt Sree Kesapragada, global productmanager voor de metaalafzettingsproducten van Applied Materials.
Het bedrijf zegt dat zijn nieuwe koperdepositiemachine, Endura Amber genaamd, koperverbindingen kan maken die kleiner zijn dan 10 nanometer zonder de opbrengst te beïnvloeden. Net als eerdere machines gebruikt het een proces dat geïoniseerde fysieke dampafzetting wordt genoemd om de chip te coaten met een laag koper. Nieuw is dat de machine vervolgens de chip verwarmt, zodat het koper in het gat stroomt, waardoor de kans op defecten kleiner wordt. Het is niet triviaal om de afzettings- en verwarmingsstappen in dezelfde kamer uit te voeren en was iets dat ingenieurs van het bedrijf oorspronkelijk als een gek idee beschouwden, zegt Kevin Moraes, die de metaalafzettingsproducten van Applied Materials beheert.
Dit idiote idee zou fabrikanten kunnen helpen om de bestaande infrastructuur voor het maken van chips te gebruiken voor de volgende generatie chips. Maar het lost het grotere probleem niet op: het feit dat kleinere koperdraden grote prestatieproblemen veroorzaken. Elke stapsgewijze vooruitgang benadrukt het feit dat je aan deze grote oplossingen moet werken, zodat je gelijke tred kunt houden met de enorme verbeteringen in computerprestaties die we gewend zijn, zegt Geer.
De oplossing die de infrastructuur voor het maken van chips het minst zou verstoren, zou zijn om een ander metaal te vinden dat geleidend blijft, zelfs als het tot zeer dunne draden wordt gemaakt, en dat niet zo warm wordt als koper, zegt Jonathan Candelaria, directeur van interconnect sciences. bij de Semiconductor Research Corporation . Onderzoekers kijken naar verschillende legeringen, wolfraam, of de mogelijkheid om terug te keren naar aluminium, het verbindingsmateriaal bij uitstek tot ongeveer 20 jaar geleden.
Een tijdje hebben onderzoekers grote hoop gevestigd op nieuwe koolstofnanomaterialen, waaronder grafeen. Een deel van het probleem met koper is dat elektronen onvolkomenheden in het materiaal verstrooien. Nanobuisjes en grafeen daarentegen zorgen voor een vlotte vaart voor elektronen. Maar onderzoekers leren nog steeds hoe ze met deze materialen moeten werken. Daarom probeert Geer nieuwe manieren te ontwikkelen om conventionele metalen zo te structureren dat ze, net als nanobuisjes en grafeen, zonder verstrooiing geleiden. Saroj Nayak , hoogleraar natuurkunde aan het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, werkt ook aan trucs om metalen geleiders beter te maken. Hij ontwikkelt nieuwe isolatiematerialen die de metalen bedrading onder druk zetten om de geleidbaarheid te verbeteren.
Maar het is niet duidelijk welke van deze oplossingen, indien aanwezig, zullen werken. Applied Materials wil geen commentaar geven op waar het verder op is voorbereid dan koper. Deze onzekerheid is een groot probleem, zegt Candelaria, omdat het doorgaans zeven tot tien jaar duurt om een nieuw materiaal in de productie van halfgeleiders te verwerken. Ondertussen zullen de prestatieproblemen van koper binnen vijf tot tien jaar onoverkomelijk worden. We kunnen deze rode bakstenen muur van naderend onheil verderop zien, zegt Candelaria.