IEDM 2019 »Die Zukunft von Moore’s Law ist besser als jemals zuvor«

Verbindungsstrukturen, Direkte Selbstanordnung und heterogene 3D-Systemintegration

Verbindungsstrukturen (Interconnect) spielen eine entscheidende Rolle im Moore's Law und es werden neue, revolutionäre Prozesse benötigt, um eine kontinuierliche Skalierung und Leistungsfähigkeit der Kupfer-Verbindungen (Cu) sicherzustellen. Drei neuartige Techniken haben das Potenzial, disruptive Vorteile zu erzielen: 1. Subtraktive Interconnect, 2. ultradünne 2D-Materialbarrieren und 3. selektive Via-Füllung. Subtraktive Verbindungstechnologie und/oder ultradünne 2D-Materialbarrieretechnologie unter Verwendung von TMD oder Graphen wird benötigt, um die Schichtdickenskalierungsgrenze der aktuellen Cu-Barrieren (z.B. Ta, TaN) von ~2,5 nm zu erreichen, um eine Metal-Pitch-Skalierung unter 30 nm mit hoher Leistung zu ermöglichen, insbesondere für die unteren Verdrahtungsschichten. Für die mittleren Cu-Verbindungsschichten mit einem Abstand von 40 bis 60 nm wird die Leistung der Verbindungs-R-C mit zunehmendem Seitenverhältnis (AR) verbessert, definiert als Gesamthöhe (Graben + Via) nach der Politur dividiert durch die Grabenbreite. Ein robuster selektiver Via-Füllprozess (z.B. Ru, Co), gefolgt von einer Cu-Füllung, wird eingesetzt, um eine hohe AR-Lücken-Füllung für ein verbessertes R-C-Verhalten zu ermöglichen. Darüber hinaus kann durch den Einsatz von Luftspalten (airgaps) eine signifikante zusätzliche Verbesserung der Kapazität erreicht werden.

Direkte Selbstanordnung (DSA)

Da die Strukturgrößen für die Skalierung der Dichte immer kleiner werden, ist die Fähigkeit zum Druck und zur korrekten Platzierung von Strukturen mit engen Abständen für die Fortsetzung von Moore's Law von entscheidender Bedeutung. Während die Druckfähigkeit durch Spacer-basierte Pitch-Division und EUV angegangen wird, lösen diese Strukturierungstechniken aufgrund der grundlegenden physikalischen Einschränkungen der konventionellen optischen Lithographie nicht die Mängel bezüglich der Kantenplatzierungsfehler (Edge Placement Error – EPE), insbesondere bei engen Abständen unter 30 nm. In Zukunft muss ein neues DSA-Strukturierungsverfahren angewandt werden, das 1. das Bilden chemischer Strukturen mit entspannteren Abständen unter Verwendung konventioneller optischer Lithographie und 2. Der Einsatz dieser Strukturen als Basis für die Selbstmontage von Block-Copolymeren (BCPs) kombiniert, um neue Linienraumstrukturen mit mehr als dreifach dichterer Teilung als die chemisch erzeugten Strukturen zu bilden. Die Abstandsvariation in 30-nm-Rasterlinien mit Hilfe von DSA-Strukturen im Vergleich zur Spacer-basierten Rasterteilung konnte signifikant verbessert wird. Darüber hinaus wurde ein DSA definierter Pitch bis 22 nm nachgewiesen.

Heterogene 3D-System-Integration und Packaging

Die heterogene 3D-System-Integration zur Realisierung eines großen System in Package (SiP), das aus verschiedenen prozessoptimierten Chiplets besteht und dessen Gesamtleistung der der monolithischen Integration nahe kommt, ist ein weiterer spannender und wichtiger Ansatz neben der monolithischen 3D-Integration, um die Fortsetzung des Moore'schen Gesetzes zu ermöglichen. Ein Hauptaugenmerk bei diesem Ansatz liegt darauf, sicherzustellen, dass die In-Package-Konnektivität sowohl mit geringem Overhead funktioniert als auch ähnliche Bandbreiten und Verdrahtungsdichten unterstützt wie On-Die-Verbindungen. Möglich wird dies durch den Einsatz von Hybrid-Bonding als Ersatz für das konventionelle Lötbonden, um die vertikale Dichte der Verbindungen/Fläche beim Die-to-Wafer- und/oder Wafer-to-Wafer-Stacking deutlich zu erhöhen. Ein weiterer neuartiger Ansatz ist Omni-Directional Interconnect (ODI), der 1. eine Fine-Pitch-Verbindung mit hoher Bandbreite von oberem zu unterem Die, 2. eine Verbindung von unteren Die zum Gehäuse für Leistung und I/Os ermöglicht und 3. eine neue direkte Verbindung vom oberen Die zum Gehäuse, das eine direkte Stromversorgung unterstützt, die mit monolithischen Implementierungen vergleichbar ist. Das ODI-Packaging bietet neue Freiheitsgrade im 3D-Die-Stacking für die heterogene 3D-System-Integration, die zu mehreren Vorteilen führen, darunter geringere Latenzzeiten, weniger Energie pro Bit und eine höhere Bandbreitendichte. ODI ist ebenfalls Gegenstand eines eigenen Papers auf der IEDM 2019.