集成电路新工艺技术的发展趋势(4)
7.2 铜扩散阻挡层和黏附层的选择
随着金属连线及间距尺寸的进一步缩小,阻挡层和黏附层占据金属连线的比例升高,导致金属有效电阻率大幅度升高。后段互连技术面临金属连线的电阻率、填洞能力、超低 k 介质缓减 RC 延迟问题、以及相应的可靠性问题等引起的挑战。
图 11 为传统 PVD,Ta 作为铜的阻挡层及新型阻挡层的对比。
从 7 nm 节点开始,制程技术可能会采用 PVD 或者 ALD-TaN 作为扩散阻挡层,CVD 钴或钌等新型材料作为铜的黏附层的方案,形成厚度超薄且连续均匀的铜扩散阻挡层及黏附层,降低后段互连电阻及RC延迟。
8硅基光电集成
几十年来,随着集成电路一直遵循摩尔定律发展,微处理器的工作速度不断提升。但是,传统的电互连技术使得微处理器时钟频率的进一步提高遭遇瓶颈。在集成电路中,电子之间的强相互作用虽然使晶体管进行开关和信号处理,但同时也带来噪声,并增加信号传输中的衰减(尤其是在高频的情形下),从而影响信息处理能力。
此外,在电互连导体表面会产生电磁场,从而导致信号的串扰、干扰及衰减,这都会增加能耗,且随着频率的增加而增加。因此,在电互连的框架下微处理器将越来越难以满足高性能计算机在大规模并行处理和低能耗方面日益提高的要求。
为了突破这一局面,将电子技术与光子技术结合起来势在必行。光子之间相互作用很弱,这虽然限制了光计算方面的应用,但可以减少光通道之间的噪声、衰减和串扰。显然,微纳电子技术和光子技术的集成将充分发挥两者的优势,有望增强芯片的并行处理能力并降低其能耗。
未来的高性能计算机运算速度如果要达到每秒百亿亿次量级,那么处理器之间的通信带宽必须达到 Tb/s 量级。如此大的带宽只能通过光互连的方式才能实现。
图 12 展示了 IBM 所构想的未来高性能计算机中,如何利用光互连来实现芯片内部和芯片之间高速低功耗数据通信。如图 12 所示,包含了多个核的处理器层、存储层以及光网络层将通过三维封装的方式进行集成。对于每一个处理器核,IBM 希望能在十几平方毫米乃至更小的面积内通过波分复用的方式为其集成了带宽为 1 Tb/s 的光收发模块。需要进行传输和交换的信号通过光发射模块转换到光域后,进入光网络层进行路由。根据路由信息,光信号或者进入下一个核,或者被传输到芯片外部进行片间通信。每个处理器核上的光接收模块将信号从光域转换到电域进行处理。该光互连芯片中需要的核心光子器件包括调制器,探测器和激光器。围绕这几个器件,近年来展开了大量的研究,并取得了一系列的突破。
调制器的作用是将电信号转化为光信号。由于晶格的中心对称性,硅不具有电光效应,因此目前硅基高速电光调制主要是基于载流子色散效应,即通过调节硅波导中载流子的浓度来改变材料的折射率。采用较多的结构是在 SOI 波导中植入一个 PN 结,通过反向偏置 PN 结改变载流子耗尽区的宽度即可实现电光调制。例如:我国中科院半导体所报道了基于这种结构的马赫-曾德尔(MZ)调制器,通过行波调制方式,调制速率高达 70 Gb/s。基于载流子耗尽型调制器的光发射模块和各种高阶的调制格式已经开始进入实用阶段。
探测器的作用是将入射高速光信号转化为电信号。光通信所采用的光波长范围是在 1.3 μm 和 1.5 μm 附近的近红外波段, 但硅不能用于探测这两个波段的光信号。为解决这一问题,锗材料被引入到硅基光路之中。锗探测器在制备技术上和 CMOS 工艺完全兼容, 已成为目前最为成功的硅基光电探测器。2012 年报道了 120 GHz 带宽、0.8 A/W 响应度及 4 μA 暗电流的波导型锗探测器。2013 年报道了带宽高达 60 GHz 的波导耦合型 PIN 结构锗硅探测器。
硅基激光器一直是硅光子学中最有挑战性的部分。由于硅是间接带隙半导体,因此不能用于光源,但国内外的研究学者一直没有放弃在硅上制备激光器的努力。从多孔硅的室温发光、纳米硅发光、稀土离子掺杂发光, 再到最近几年硅基拉曼激光器、III-V 族硅混合激光器、锗硅激光器和纳米激光器等,每一次的进步都引起极大的关注。以上众多的硅基发光方案中,目前最为成熟的是采用混合方式集成的片上光源,即利用键合工艺将 III-V 族材料转移到 SOI 基底上。III-V 族材料提供增益,而硅波导则形成谐振腔提供反馈。光在 III-V 有源层和硅波导层间的耦合可以通过使用倏逝波耦合或绝热锥形过渡区实现。目前报道的谐振腔结构主要有分布式反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)和 DBR 与微环组合三种结构。这三种结构中,最有优势的是 DBR 与微环组合所构成的谐振腔,它可使激光输出功率达到 mW 级以上,并且结构十分灵活。一些复杂的激光器结构如:波长可调谐激光器、多波长激光器,均可通过 DBR 与微环组合所构成的谐振腔来实现。除了通过以键合方式制作的混合集成激光器以外,还有一种是将半导体放大器(SOA)与硅波导端面耦合而形成的外腔激光器,它的工艺复杂程度可以显著降低,该类型的激光器输出功率可以高达 20 mW。必须指出,即使是目前最成熟的混合集成方案,在寿命、效率、热稳定性、与 CMOS 工艺的兼容性、集成度等方面还无法完全满足光互连的需求。若能实现 III-V 激光器与硅光子芯片的单片集成,即在 SOI 上生长高质量的 III-V 外延层并制作激光器,必将极大地推进硅基光电集成的进程。