后摩尔时代芯片互连新材料及工艺革新

受高算力芯片的需求驱动, 尽管摩尔定律日趋减缓, 高端芯片的工艺复杂度和集成度仍在逐代增大. 随着前道工艺中晶体管架构与其集成密度不断优化提升, 后道工艺所涉及的芯片内互连技术挑战愈发严峻, 迫切需要对互连材料与工艺进行革新. 同时, 高集成度的系统级3D封装也是高性能芯片的关键解决方案, 其中核心的3D封装技术对芯片间互连材料与工艺不断提出新的要求. 为此,清华大学材料学院王琛教授团队系统探讨了后摩尔时代芯片内和芯片间多代候选互连材料及其工艺的潜力及挑战, 从材料创新、工艺优化、架构突破、设计范式等多方面综合研判了未来互连技术的发展路径, 并对超导互连、光互连等颠覆性互连技术做了前瞻性分析, 可以预见互连材料的革新将有力推动新的芯片技术革命.

自摩尔定律于1965年提出以来, 芯片内晶体管数目和微处理器性能的周期性倍增一直符合其所预测的规律, 并由此作为基础驱动了高性能计算、互连网技术、人工智能技术等的长足发展, 成为当前信息社会和智能时代的底层技术基石. 然而, 随着硅基芯片在新材料、器件结构、集成工艺、架构设计、系统生态等领域遭遇基础材料特性和器件物理原理等方面的的限制, 基于传统摩尔定律尺寸微缩的芯片技术迭代遇到技术瓶颈. 在可预见的未来, 芯片特征尺寸微缩推进至纳米和亚纳米尺度将导致器件物理与工艺集成上的多重困难, 诸如量子隧穿效应、原子级加工工艺等问题, 并且已成为制约摩尔定律延续的重要因素.

对此, 研究人员通过发展极紫外光刻技术、创新晶体管架构等技术进一步开展前道工艺(Front-end-of-line, FEOL)的优化, 进而推动硅基芯片的可持续创新. 与此同时, 随着前道晶体管密度的逐代提升, 后道工艺(Back-end-of-line, BEOL)中的互连密度也快速提升, 传统芯片内互连材料及其工艺的技术潜力挖掘殆尽, 并逐渐成为限制整个芯片功耗和速度提升的技术瓶颈. 不容忽视的是, 芯片内互连材料与工艺的革新已经成为当前高端芯片研发中最为关键的技术难点之一. 与此同时, 先进封装技术的发展是突破传统摩尔定律的另一个关键技术方向, 近年兴起的2.5D封装、3D封装等技术在芯片前道工艺技术节点改进有限的情况下, 能够通过芯片间互连的优化, 从芯片系统尺度实现算力、功耗和集成度等性能指标方面的跃升, 其中所涉及的芯片间互连技术方兴未艾, 与芯片内互连技术共同构成了芯片互连技术的核心.

为此, 清华大学材料学院王琛教授团队从芯片内互连技术与芯片间互连技术发展的技术驱动力、材料革新、工艺优化、架构突破、设计范式等方面进行系统评述, 并前瞻性分析多种颠覆性互连技术方案, 包括超导互连和光互连等的技术潜力和挑战. 最后,将结合前述分析对后摩尔时代芯片互连技术给出初步技术路径与技术展望.