《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 新品快遞 > 新型材料驅(qū)動人工智能時代的前進(jìn)

新型材料驅(qū)動人工智能時代的前進(jìn)

2018-08-14
作者:Jonathan Bakke

  我們正處于最大規(guī)模的計(jì)算潮流的風(fēng)口浪尖——那就是由大數(shù)據(jù)驅(qū)動的AI (人工智能) 時代,。要想成為這個時代的弄潮兒,,就需要顯著提升處理器性能以及內(nèi)存容量和延遲性。當(dāng)經(jīng)典摩爾定律微縮速度日漸減緩,行業(yè)將面臨的挑戰(zhàn)正在日益嚴(yán)峻,。而以上的要求便成為AI時代之所需,。

  為繼續(xù)推動行業(yè)與時俱進(jìn)的發(fā)展,我們需要在原子級層面就開始系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)新型材料組合,,用新架構(gòu)和新設(shè)備成就人工智能的明天,。

  在這系列博客中,第一篇我將先闡述晶體管接觸孔和本地互聯(lián)的材料拐點(diǎn),,下一篇接著探討集成材料解決方案的需求。

  談到計(jì)算機(jī)時代,,它曾經(jīng)由經(jīng)典摩爾定律所代表,,即依賴于少數(shù)材料以及通過光刻實(shí)現(xiàn)幾何尺寸縮小,從而提升芯片性能,、功耗,、尺寸及成本,通常稱為PPAC,。

  而到了移動時代,,我們看到原來用在經(jīng)典摩爾定律中的系列材料達(dá)到物理極限,隨著器件架構(gòu)的變化采用一些新型材料,,例如從平面晶體管轉(zhuǎn)變到FinFETs來促進(jìn)PPAC縮放,。

  時至如今,對于人工智能時代而言,,PPAC優(yōu)化需要更多新型的其它材料,。此外,尺寸縮小后,,界面層在材料特征中的占比也越來越大,,而在原子級層面設(shè)計(jì)材料成為需求的核心,同時也是重要挑戰(zhàn),。

  新型材料被需求的關(guān)鍵之處在于接觸孔和本地互聯(lián),,即最小層面的金屬互聯(lián)。它將晶體管與外界相連,,目前我們使用的材料分別是鎢和銅(圖1),。

1.jpg

  圖1:為持續(xù)提升器件性能,

  在最小,、最關(guān)鍵的導(dǎo)電層需要的材料變化

 ?。▉碓矗篢ECHINSIGHTS)

  新型材料

  應(yīng)用材料公司在創(chuàng)新材料工程方面的突破性進(jìn)展就是研發(fā)出一系列使用鈷作為導(dǎo)體制造晶體管接觸孔和互聯(lián)的產(chǎn)品。這是過去20多年來第一次對晶體管供電的金屬線做出改變,。上一次變革還是在1997年開始使用銅,。

  當(dāng)我們持續(xù)看到新架構(gòu)以及光刻技術(shù)進(jìn)步的同時,芯片制造最巨大的變化將發(fā)生在材料領(lǐng)域。對比90年代使用的材料數(shù)量(很少),,我們預(yù)計(jì)未來對新材料的需求數(shù)量將增長10倍,,并可大幅提升人工智能時代的芯片性能。

  為何選擇鈷,?

  由于電阻和間隙填充,,在10nm節(jié)點(diǎn)使用鎢作為晶體管接觸孔金屬,其性能遭遇瓶頸,。同樣,,用銅在M0和M1層面制造的本地互聯(lián)也飽受間隙填充、電阻和可靠性的困擾——性能受限,,芯片制造成本因此受影響,。在7nm制程及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)用鈷代替鎢接觸孔和本地互聯(lián)銅則打破了上述性能瓶頸(圖2)。

  那么,,鈷具有哪些優(yōu)勢呢,?與鎢相比,鈷能夠用更薄的阻擋層填補(bǔ)小尺寸特征,,所以尺寸越小,,固有電阻越高。

2.jpg

  圖2:鈷將在最小導(dǎo)電層上取代鎢和銅

  制造鎢接觸孔需要相當(dāng)厚的套筒,,由一個雙材料疊層的阻擋層和一個成核層組成,。這些薄膜的厚度不能隨著特征縮小而進(jìn)一步降低,限制了導(dǎo)電金屬的可用體積,。晶體管接觸孔縮小到12nm后,,即達(dá)到物理極限,沒有多余的體積可用于鎢,。更薄的襯墊阻擋層可以與鈷一起在關(guān)鍵尺寸(CD)15nm處使用(大致相當(dāng)于7nm節(jié)點(diǎn)),,可以使導(dǎo)電金屬性能增加3.7倍。

3.jpg

  圖3:通過模擬論證了鈷能夠顯著提高性能

  采用鈷晶體管接觸孔會顯著降低電阻和變異性,?;趦?nèi)部研發(fā)數(shù)據(jù),鈷接觸孔電阻低于87%,,變異性從超過10歐姆(標(biāo)準(zhǔn)化)降至約0.06歐姆,。由于電阻降低以及由于晶體管接觸孔變異性降低而導(dǎo)致的成品率損失降低,所以這些改進(jìn)可以通過更低的功耗,,實(shí)現(xiàn)更多的晶體管固有性能,。

  即使突破了晶體管接觸孔的瓶頸,下一個性能瓶頸就是本地互聯(lián)銅線,。雖然銅作為塊體金屬,,電阻比鈷要低,但是在10-15nm范圍內(nèi)有一個交叉點(diǎn),鈷互聯(lián)在這個交叉點(diǎn)的電阻低于銅互聯(lián),。形成這個交叉點(diǎn)的原因是電子平均自由程,,銅為~39nm,鈷為~10nm,。電子平均自由程定義了電子在塊體材料中無散射情況下的行程長度,。當(dāng)特征低于平均自由程時,材料界面層和晶界發(fā)生明顯散射,,導(dǎo)致電阻增加,。更小的電子平均自由程使電子在窄線中流通,并減少碰撞,,從而降低電阻,。

  同時如前所述,鈷的阻擋層比銅更薄,,因此鈷互聯(lián)線通孔的垂直電阻更低。綜合這些因素,,鈷有助于釋放晶體管在7nm制程及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的全部潛力,。

  最后,我們通過5級環(huán)形振蕩器電路EDA模擬論證了鈷的價值,。我們證明對于一系列模擬的關(guān)鍵尺寸,,含鈷電路的性能要優(yōu)于鎢。實(shí)際上,,鈷的這一優(yōu)勢隨著關(guān)鍵尺寸的縮小而增加,,使芯片性能顯著提升15%。

  如需更加詳細(xì)地了解關(guān)于鈷的優(yōu)勢以及應(yīng)用材料公司如何在晶體管接觸孔和互聯(lián)線中實(shí)現(xiàn)其用途,,歡迎您瀏覽如下網(wǎng)頁觀看我們近期的網(wǎng)絡(luò)直播或文字記錄,。 http://ir.appliedmaterials.com/phoenix.zhtml?c=112059&p=SafeHarbourJune5

  集成材料解決方案

  計(jì)算機(jī)時代通常通過單流程系統(tǒng)解決方案來推動經(jīng)典摩爾定律,集成過程更少,。而在移動時代,,我們見證了集成過程系統(tǒng)的發(fā)展,使新型材料的使用成為現(xiàn)實(shí),。與早期時代不同的是,,它不只是通過一種適應(yīng)性廣的材料取代另一種材料,而是需要多元創(chuàng)新,,與一系列過程技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展,,共同解決集成新型材料所面臨的難題。集成材料解決方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈷的技術(shù)突破,,解決了鎢和銅存在的限制問題,。我將在下一篇博客中更加詳細(xì)地探討鈷的集成材料解決方案。

  結(jié)論

  我們將看到微縮帶來越來越多的PPAC挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)需要通過新型材料和集成材料解決方案加以解決,。

  在應(yīng)用材料公司,,我們擁有業(yè)界最大規(guī)模的材料工程能力,可以一站式探索,、開發(fā)和集成新材料,,實(shí)現(xiàn)行業(yè)拐點(diǎn)。我們的優(yōu)勢得天獨(dú)厚,,能夠通過新型材料解決問題,,并將集成材料解決方案推向市場,解決人工智能時代遇到的難題,,從容應(yīng)對挑戰(zhàn),。


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)和其它問題,,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:[email protected],。