الترابط الهجين: تقنية الرقائق ثلاثية الأبعاد لإنقاذ قانون مور
قام الباحثون في مؤتمر IEEE للمكونات الإلكترونية والتكنولوجيا (ECTC) الأسبوع الماضي بدفع أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا التي أصبحت حاسمة بالنسبة للمعالجات والذاكرة المتطورة. تسمى هذه التقنية بالترابط الهجين، حيث تقوم بتكديس شريحتين أو أكثر فوق بعضها البعض في نفس الحزمة، مما يسمح لصانعي الرقائق بزيادة عدد الترانزستورات في معالجاتهم وذاكراتهم على الرغم من التباطؤ العام في وتيرة تقلص الترانزستور التقليدي الذي حدد قانون مور ذات يوم. أظهرت مجموعات بحثية من شركات تصنيع الرقائق الكبرى والجامعات مجموعة متنوعة من التحسينات التي تم تحقيقها بشق الأنفس، حيث أظهر عدد قليل منها – بما في ذلك من Imec وIntel وSony – نتائج يمكن أن تؤدي إلى كثافة قياسية من الاتصالات بين الشرائح ثلاثية الأبعاد المكدسة بحوالي 7 ملايين رابط في ملليمتر مربع من السيليكون.
وقال يي شي من إنتل للمهندسين في ECTC إن كل هذه الاتصالات مطلوبة بسبب الطبيعة الجديدة للتقدم في أشباه الموصلات. وكما أوضحت آن كيليهر، المدير العام لتطوير التكنولوجيا في شركة Intel، لـ IEEE Spectrum في عام 2022، فإن قانون مور يخضع الآن لمفهوم يسمى التحسين المشترك لتكنولوجيا النظام، أو STCO. في STCO، يتم فصل وظائف الشريحة، مثل ذاكرة التخزين المؤقت والإدخال/الإخراج والمنطق وتصنيعها باستخدام أفضل تقنيات التصنيع لكل منها. يمكن بعد ذلك إعادة تجميع الروابط الهجينة وغيرها من تقنيات التغليف المتقدمة بحيث تعمل كقطعة واحدة من السيليكون. لكن هذا لا يمكن أن يحدث إلا من خلال كثافة عالية من التوصيلات التي يمكنها نقل البتات بين قطع السيليكون مع القليل من التأخير أو استهلاك الطاقة.
إن الربط الهجين ليس تقنية التغليف المتقدمة الوحيدة المستخدمة، ولكنه يوفر أعلى كثافة من التوصيلات الرأسية. وهيمنت على ECTC، حيث شكلت حوالي خمس الأبحاث المقدمة، وفقًا لكريس سكانلان، نائب الرئيس الأول للتكنولوجيا في Besi، الذي كانت أدواته وراء العديد من الاكتشافات.
“من الصعب أن نقول ما هو الحد الأقصى. الأمور تتحرك بسرعة كبيرة” —جان تشارلز سورياو، CEA Leti
في الرابطة الهجينة، يتم إنشاء وسادات نحاسية في الوجه العلوي لكل شريحة. النحاس محاط بمادة عازلة، عادة ما تكون أكسيد السيليكون، وتكون الوسادات نفسها غائرة قليلاً عن سطح المادة العازلة. بعد تعديل الأكسيد كيميائيًا، يتم بعد ذلك ضغط الرقاقتين معًا وجهًا لوجه، بحيث تتم محاذاة الوسادات الغائرة مع كل منهما. يتم بعد ذلك تسخين هذه الساندويتش ببطء، مما يتسبب في تمدد النحاس عبر الفجوة، وربط الرقاقتين.
يمكن للربط الهجين إما ربط شرائح فردية ذات حجم واحد برقاقة مليئة برقائق ذات حجم أكبر أو يمكن استخدامه لربط رقاقتين كاملتين من الرقائق من نفس الحجم معًا. ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى استخدامه في رقائق الكاميرا، وتعتبر هذه الأخيرة عملية أكثر نضجًا من الأولى. أبلغت شركة Imec، على سبيل المثال، عن بعض روابط الرقاقة على الرقاقة (WoW) الأكثر كثافة على الإطلاق بمسافة رابطة إلى رابطة (أو خطوة) تبلغ 400 نانومتر فقط. قام نفس مركز الأبحاث بإدارة خطوة تبلغ 2 ميكرومتر لسيناريو الرقاقة على الرقاقة (CoW). (تحتوي الرقائق التجارية اليوم على وصلات تبعد عن بعضها حوالي 9 ميكرومتر).
يبدأ الترابط الهجين بتشكيل وسادات نحاسية غائرة في الجزء العلوي من الشريحة [top]. ترتبط الروابط العازلة للأكسيد المحيطة عند ضغط الرقاقتين معًا [middle]. الصلب توسيع النحاس لتشكيل اتصال موصل [bottom].
“مع توفر المعدات، أصبح من الأسهل محاذاة الرقاقة مع الرقاقة بدلاً من محاذاة الرقاقة مع الرقاقة. يتم إجراء معظم العمليات الخاصة بالإلكترونيات الدقيقة من أجل [full] يقول جان تشارلز سورياو، القائد العلمي في مجال التكامل والتعبئة في منظمة الأبحاث الفرنسية CEA Leti. ومع ذلك، فإن شريحة الرقاقة (أو القالب إلى الرقاقة) هي التي تُحدث ضجة كبيرة في المعالجات المتطورة مثل خط AMD’s Epyc، حيث يتم استخدام هذه التقنية لتجميع مراكز الحوسبة وذاكرة التخزين المؤقت في وحدات المعالجة المركزية (CPU) المتقدمة ومسرعات الذكاء الاصطناعي. .
ومن خلال الضغط من أجل تقديم نغمات أكثر إحكامًا لكلا السيناريوهين، ركز الباحثون على جعل الأسطح مسطحة جزئيًا، وجعل الرقائق المربوطة تلتصق معًا بشكل أفضل، وتقليل الوقت وتعقيد العملية برمتها. إن تصحيح الأمر قد يعني في نهاية المطاف تمكين ثورة في كيفية تصميم الرقائق.
واو، تلك بعض الملاعب الضيقة
إن أبحاث الرقاقة على الرقاقة (WoW) التي أبلغت عن أضيق درجات الصوت – من 500 نانومتر إلى 360 نانومتر – أنفقت الكثير من الجهد على شيء واحد: التسطيح. لربط رقاقتين معًا بدقة تصل إلى 100 نانومتر، يجب أن تكون الرقاقة بأكملها مسطحة تمامًا تقريبًا. إذا كانت منحنية أو ملتوية، فلن يتم توصيل أجزاء كاملة من المواد.
إن تسطيح الرقائق هي مهمة عملية تسمى الاستواء الميكانيكي الكيميائي، أو CMP. إنه مفتاح صناعة الرقائق بشكل عام، خاصة بالنسبة لأجزاء العملية التي تنتج طبقات الوصلات البينية فوق الترانزستورات.
يقول سورياو: “إن CMP هو عامل أساسي يجب علينا التحكم فيه من أجل الترابط الهجين”. النتائج التي تم تقديمها هذا الأسبوع في ECTC أخذت CMP إلى مستوى آخر، ليس فقط التسطيح عبر الرقاقة، ولكن تقليل مجرد نانومتر من الاستدارة على العزل بين الوسادات النحاسية لضمان اتصالات أفضل.
ركزت أبحاث أخرى على ضمان التصاق تلك الأجزاء المسطحة معًا بقوة كافية من خلال تجربة مواد سطحية مختلفة مثل كربوناتريد السيليكون بدلاً من أكسيد السيليكون أو باستخدام مخططات مختلفة لتنشيط السطح كيميائيًا. في البداية، عندما يتم ضغط الرقائق أو القوالب معًا، يتم تثبيتها في مكانها باستخدام روابط هيدروجينية ضعيفة نسبيًا، ويكون الاهتمام هو ضمان بقاء كل شيء في مكانه بين الترابط والخطوات الإضافية. يتم بعد ذلك تسخين الرقائق والرقائق المربوطة ببطء (عملية تسمى التلدين) لتكوين روابط كيميائية أقوى. إن مدى قوة هذه الروابط – وكيفية اكتشاف ذلك – كان موضوع الكثير من الأبحاث في ECTC.
سيأتي جزء من قوة الرابطة النهائية من الوصلات النحاسية أيضًا. تقوم خطوة التلدين بتوسيع النحاس عبر الفجوة لتشكيل جسر موصل. وأوضح سيونغ هو آهن من سامسونج أن التحكم في حجم هذه الفجوة هو أمر أساسي. هناك فجوة كبيرة جدًا ولن يتم توصيل النحاس. القليل جدًا وسيؤدي إلى تباعد الرقائق. إنها مسألة نانومترات، وقد أبلغ آهن عن بحث حول عملية كيميائية جديدة يأمل في تحقيقها بشكل صحيح عن طريق حفر طبقة ذرية واحدة من النحاس في المرة الواحدة.
جودة الاتصال مهمة أيضًا. وحتى بعد تمدد النحاس، أظهرت معظم المخططات أن حدود حبيبات المعدن لا تتقاطع من جانب إلى آخر. مثل هذا التقاطع يقلل من المقاومة الكهربائية للاتصال ويجب أن يعزز موثوقيته. أعلن باحثون في جامعة توهوكو في اليابان عن مخطط تعدين جديد يمكنه أخيرًا توليد حبيبات كبيرة من النحاس تعبر الحدود. وقال تاكافومي فوكوشيما، الأستاذ المشارك في جامعة توهوكو: “هذا تغيير جذري”. “نحن الآن نحلل ما يكمن وراء ذلك.”
“أعتقد أنه من الممكن إنشاء أكثر من 20 طبقة مكدسة باستخدام هذه التقنية” – هيونمين لي، سامسونج
ركزت تجارب أخرى على تبسيط عملية الترابط الهجين. سعى العديد منهم إلى تقليل درجة حرارة التلدين اللازمة لتكوين الروابط – حوالي 300 درجة مئوية عادةً – بدافع من إمكانية تقليل أي خطر لتلف الرقائق بسبب التسخين المطول. وقدم باحثون من شركة Applied Materials تقدمًا في طريقة لتقليل الوقت اللازم للتليين بشكل جذري – من ساعات إلى 5 دقائق فقط.
الأبقار المتميزة في هذا المجال
يعد الترابط الهجين للرقاقة على الرقاقة (CoW) أكثر فائدة للصناعة في الوقت الحالي: فهو يسمح لصانعي الرقاقات بتكديس شرائح صغيرة بأحجام مختلفة معًا، كما يسمح لهم باختبار كل شريحة قبل ربطها بأخرى، مما يضمن أنها ليست كذلك. القضاء على وحدة المعالجة المركزية باهظة الثمن بشكل قاتل بجزء واحد معيب.
لكن CoW تأتي مع كل الصعوبات التي تواجهها WoW وعدد أقل من الخيارات للتخفيف منها. على سبيل المثال، تم تصميم CMP لتسوية الرقاقات، وليس القوالب الفردية. بمجرد قطع القوالب من الرقاقة المصدرية واختبارها، يكون هناك القليل الذي يمكن القيام به لتحسين استعدادها للترابط.
ومع ذلك، أبلغت Intel عن روابط هجينة CoW بمسافة 3 ميكرومتر، بينما تمكنت شركة Imec من إدارة 2 ميكرومتر، إلى حد كبير عن طريق جعل القوالب المنقولة مسطحة جدًا بينما كانت لا تزال متصلة بالرقاقة وإبقائها نظيفة للغاية للمضي قدمًا. استخدمت الجهود التي بذلتها كلا المجموعتين النقش بالبلازما لتقطيع القوالب بدلاً من الطريقة المعتادة التي تستخدم شفرة متخصصة. لن تؤدي البلازما إلى تقطيع الحواف، مما يؤدي إلى إنشاء حطام يتداخل مع التوصيلات. كما أنها سمحت لمجموعة Imec بتشكيل القالب، وصنع زوايا مشطوفة خففت الضغط الميكانيكي الذي قد يؤدي إلى قطع الوصلات.
قال العديد من الباحثين إن الترابط الهجين لـ CoW سيكون بالغ الأهمية لمستقبل الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي (HBM). IEEE الطيف. HBM عبارة عن مجموعة من قوالب DRAM فوق شريحة منطق التحكم – حاليًا من 8 إلى 12 قالبًا. غالبًا ما يتم وضع HBM ضمن نفس الحزمة مثل وحدات معالجة الرسومات المتطورة، وهو أمر بالغ الأهمية لتوفير تسونامي البيانات اللازمة لتشغيل نماذج اللغة الكبيرة مثل ChatGPT. اليوم، يتم تكديس قوالب HBM باستخدام ما يسمى بتقنية microbump، حيث يتم إحاطة كرات صغيرة من اللحام بين كل طبقة بحشو عضوي.
ولكن مع زيادة الطلب على الذاكرة بواسطة الذكاء الاصطناعي، يريد صانعو DRAM إنشاء 20 طبقة أو أكثر في شرائح HBM. ومع ذلك، فإن الحجم الصغير الذي تستهلكه يعني أن هذه الأكوام ستصبح قريبًا طويلة جدًا بحيث لا يمكن وضعها في الحزمة مع وحدات معالجة الرسومات. لن يؤدي الترابط الهجين إلى تقليص ارتفاع HBMs فحسب، بل يجب أيضًا أن يسهل إزالة الحرارة الزائدة من العبوة، نظرًا لوجود مقاومة حرارية أقل بين طبقاتها.
إن عرض WoW بطول 200 نانومتر ليس ممكنًا فحسب، بل مرغوبًا فيه.
في ECTC، أظهر مهندسو سامسونج أن نظام الربط الهجين يمكن أن يصنع مكدس HBM مكون من 16 طبقة. وقال هيونمين لي، أحد كبار المهندسين في سامسونج: “أعتقد أنه من الممكن إنشاء أكثر من 20 طبقة مكدسة باستخدام هذه التقنية”.
يمكن لتقنيات CoW الجديدة الأخرى أن تساعد في جلب الترابط الهجين إلى الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي. على الرغم من أنهم لم يقدموا بحثًا حول هذا الأمر في ECTC، إلا أن الباحثين في CEA Leti يعملون على ما يسمى بتكنولوجيا المحاذاة الذاتية، كما يقول سورياو. وهذا من شأنه أن يساعد في ضمان اتصالات CoW باستخدام العمليات الكيميائية. سيتم جعل بعض أجزاء كل سطح كارهة للماء وبعضها محبة للماء، مما يؤدي إلى انزلاق الأسطح إلى مكانها تلقائيًا.
في ECTC، أفاد باحثون في جامعة توهوكو وشركة Yamaha Robotics عن عملهم على مخطط مماثل، باستخدام التوتر السطحي للماء لمحاذاة منصات بحجم 5 ميكرومتر على شرائح DRAM التجريبية بدقة تزيد عن 50 نانومتر.
إلى أي مدى يمكن أن يصل الترابط الهجين؟
من المؤكد تقريبًا أن الباحثين سيستمرون في الترويج لوصلات الترابط الهجين. إن عرض WoW بحجم 200 نانومتر ليس ممكنًا فحسب، بل مرغوبًا فيه، كما قال Han-Jong Chia، مدير أنظمة اكتشاف المسارات في TSMC، للمهندسين في ECTC. وفي غضون عامين، تخطط TSMC لتقديم تقنية تسمى توصيل الطاقة الخلفية. (تخطط شركة إنتل لذلك في نهاية هذا العام.) وهي تقنية تضع الوصلات البينية لتوصيل الطاقة الخاصة بالرقاقة أسفل السيليكون بدلاً من فوقه. مع إبعاد تلك العناصر عن الطريق، يمكن لمستويات الترابط العلوي أن تتصل بشكل أفضل بمنصات روابط هجينة أصغر، وفقًا لحسابات باحثي TSMC. إن توصيل الطاقة من الجانب الخلفي باستخدام وسادات ربط 200 نانومتر من شأنه أن يقلل من سعة الاتصالات ثلاثية الأبعاد لدرجة أن منتج كفاءة الطاقة وتأخير الإشارة سيكون أفضل بمقدار 8 مرات من منصات السندات 400 نانومتر.
في مرحلة ما في المستقبل، إذا تم تضييق نطاقات الروابط بشكل أكبر، كما اقترح شيا، فقد يصبح من العملي “طي” كتل من الدوائر بحيث يتم بناؤها عبر رقاقتين. وبهذه الطريقة قد تصبح بعض الاتصالات الأطول داخل الكتلة أقصر بواسطة المسار العمودي، مما قد يؤدي إلى تسريع العمليات الحسابية وخفض استهلاك الطاقة.
والترابط الهجين قد لا يقتصر على السيليكون. يقول سورياو من CEA Leti: “هناك اليوم الكثير من التطوير في رقائق السيليكون إلى السيليكون، لكننا نتطلع أيضًا إلى إنشاء روابط هجينة بين نيتريد الغاليوم ورقائق السيليكون والرقائق الزجاجية… كل شيء على كل شيء”. حتى أن منظمته قدمت بحثًا عن الروابط الهجينة لرقائق الحوسبة الكمومية، والتي تتضمن محاذاة وربط النيوبيوم فائق التوصيل بدلاً من النحاس.
يقول سورياو: “من الصعب أن نقول ما هو الحد الأقصى”. “الأمور تتحرك بسرعة كبيرة.”
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
