مارك لابيدوس
مَن سيكسر حاجز 2 نانومتر أولاً في سباق تطوير رقائق أشباه النواقل؟
في ظل التنافس الكبير بين الشركات العالمية، لتحقيق خروقات علمية وتقنية في مجال صناعة الرقائق أشباه الموصلات Semiconductors والذي يأخذ بعداً جيوستراتيجياً خاصاً بين الولايات المتحدة والصين، تعمل صناعة الرقائق على العديد من التقنيات للخروج من «عنق زجاجة» تقني، ولا سيما المتعلق بالوصلات البينية interconnects للوصول إلى عتبة مستقبلية أعلى للمعالجة الحاسوبية. لكن العديد من هذه الحلول لا تزال قيد البحث والتطوير، وقد تستغرق بعض الوقت حتى تصبح متاحة– وقد تحتاج أن يتم التصغير لحدود 2 نانومتر، وهي رقاقات من المتوقع طرحها في وقت ما من العام 2023 أو 2024. علاوة على ذلك، تتطلب الحلول عمليات جديدة ومكلفة باستعمال مواد مختلفة. نقدم فيما يلي تلخيصاً لمقالة تقنية علمية كتبها مارك لابيدوس، المحرر التنفيذي لأحد المواقع المتخصصة بـ«هندسة أشباه الموصلات» بتاريخ 18 شباط 2021.
تعريب وإعداد: فيديل قره باغي
تستمر الصناعة بالتعامل مع عدة مشكلات في الرقائق المتقدمة، والتي تتكون من ثلاثة أجزاء (الترانزستور، والتماسّات contacts، والوصلات البينية interconnects). يوجد الترانزستور في الجزء السفلي من بنية الشريحة، ويعمل كمفتاح. تتكون الوصلات البينية الموجودة أعلى الترانزستور، من مخططات الأسلاك النحاسية الدقيقة التي تنقل الإشارات الكهربائية من ترانزستور إلى آخر. وتتكون الرقائق المتقدمة اليوم من 10 إلى 15 طبقة، كل منها تتضمن مخططاً معقداً للأسلاك النحاسية، ومتصلة باستخدام فتحات نحاسية صغيرة. بالإضافة إلى ذلك، ترتبط بنية الترانزستور والوصلات البينية بطبقة تسمى منتصف الخط (MOL)، والتي تتكون من سلسلة من هياكل الاتصال الصغيرة. يتم تصنيع الترانزستورات على رقاقة، في الواجهة الأمامية للخط (FEOL). بعد ذلك، تتشكل الوصلات البينية والطبقات المتوسطة من الخط MOL في منشأة تصنيع منفصلة تسمى الواجهة الخلفية للخط (BEOL).
الانتقال من الألمنيوم إلى النحاس
حتى التسعينات، كانت الرقائق تدمج الوصلات القائمة على مواد الألمنيوم. ولكن عندما اقتربت الرقائق المتطورة من 250 نانومتر في أواخر التسعينات، لم يكن الألمنيوم قادراً على تحمل الكثافة الحالية الأعلى في الأجهزة. لذا بدءاً من 220 ن. م / 180 ن. م، انتقل صانعو الرقائق من الألمنيوم إلى النحاس. تقوم الوصلات النحاسية بتوصيل الكهرباء بمقاومة أقل بنسبة 40% من الألمنيوم، مما يساعد على تعزيز الأداء في الرقائق، وفقاً لشركة IBM.
في عام 1997، أعلنت شركة IBM عن أول عملية ربط نحاسي في العالم تعتمد على تقنية 220 ن. م. أصبحت العملية القياسية، والتي لا تزال مستخدمة حتى اليوم، تسمى «الدِّمَشقية المزدوجة» النحاسيةdual damascene [والمصطلح دخل اللغة الإنكليزية ليدل على فن تطعيم المعادن المختلفة بعضها ببعض لإنتاج أنماط معقدة، وأصله هو من التشابه مع أنماط النسيج الغنية بالحرير الدمشقي– المعرِّب].
يشير «المَيل المعدني» metal pitch إلى الحد الأدنى للمسافة من المركز إلى المركز بين خطوط التوصيل. في البداية، أتاحت هذه العملية صناعة شرائح ذات ستة مستويات من الترابط. في ذلك الوقت، كان المَيل المعدني لجهاز الـ 180 ن. م يتراوح من 440 إلى 500 ن. م. وبالمقارنة، في العتبة 5 ن. م، تتكون الرقائق من 10 إلى 15 مستوىً من الوصلات البينية ذات ميل معدني 36 ن. م.
ظلّت الصناعة دون مشكلات حتى وصل صغر السماكة إلى 20 ن. م، وعندها زادت مقاومة النحاس بشكل كبير في الوصلات البينية، مما سبّب تأخير النقل عبر الرقائق. لذلك وبدءاً من 22 ن. م قام كثيرون باستبدال معدن التانتالوم Ta واستعملوا الكوبالت بدلاً منه للبطانة، مما ساعد على تقليل المقاومة، وانتقلوا أيضاً من الترانزستورات المستوية التقليدية إلى الجيل التالي من «الترانزستور ذو التأثير المجالي للزاوية» FinFETs مما يوفر أداءً أكبر بطاقة أقل.
بعد ذلك، عند 10 ن. م، اتخذت شركة Intel خطوة أخرى لتقليل مقاومة الرقائق. تتميز عملية 10 ن. م من Intel بـ 13 طبقة معدنية. عند 10 ن. م/7 ن. م، انتقل جميع صانعي الرقائق من التنغستن إلى الكوبالت في MOL مما يقلل أيضاً من مقاومة الخط.
وفقاً لآكي فوجيمورا، الرئيس التنفيذي لشركة D2S «لا شك في أن القدرة على الحساب بمعدل 10 أضعاف أسرع من الآن ستكون مفيدة تجارياً ومطلوبة من الناحية التنافسية... لا تلوح بالأفق نهاية للطلب على المزيد من قوة الحَوسبة».
قالت غريسيلدا بونيلا المديرة الأولى لأبحاث تكنولوجيا الربط البيني BEOL المتقدمة في IBM: «في عتبة 7 ن. م و/أو 5 ن. م، من المحتمل أن تتكون الوصلات النحاسية من حاجز نيتريد التنتالوم والكوبالت كبطانة... وتزداد مقاومة الخط بتناسبٍ عكسي مع تقليص الأبعاد، وهو ما يمثل جزءاً أكبر من إجمالي التأخير، وذلك بسبب عدة عوامل بما فيها صغر المقطع العرضي للموصل، وتقليل حجم جزء أكبر من النحاس بسبب حواجز مقاومة عالية وطبقات بطانة غير متدرجة، ومقاومة إضافية بسبب فقدان تشتت الإلكترون في الأسطح وغيرها...».
تحديات الوصلات النحاسية
بدأت مشكلات الرقائق المتقدمة بالتراكم منذ أن كانت بسماكة 20 ن. م و16 ن. م/14 ن. م قبل عقد من الزمن، عندما أصبحت الوصلات النحاسية أكثر إحكاماً داخل الترانزستورات، مما تسبب في تأخير سعة المقاومة (RC) غير المرغوب بها في الرقائق. ببساطة، أصبح من الصعب نقل التيار عبر الأسلاك الصغيرة. وبمرور الوقت، تمكن صانعو الرقائق من تطوير الترانزستور والوصلات البينية إلى أحدث عَتَبة [أو عُقدة node والمقصود نقلة نوعية]، وهي 7 ن. م/ 5 ن. م. ولكن في كل عَتَبة تطوير جديدة، كانت تساهم مخططات التوصيل البيني المعقَّدة في نسبة مئوية أكبر من تأخير النقل في الشرائح.
مشكلة زيادة المقاومة مع التصغير
من الأهمية بمكان العثور على تقنية ربط من الجيل التالي. تسير الوصلات البينية جنباً إلى جنب مع الترانزستور، وهي ضرورية لتطوير الرقاقة. ولكن إذا كانت الصناعة غير قادرة على تطوير الجيل التالي من مخطط الربط البيني الفعال من حيث التكلفة بتجاوز 2 ن. م، فإن تطوير الرقاقة كما نعرفه اليوم سيبقى يراوح في مكانه.
بعض الحلول التي تجري الأبحاث عليها
توجد حالياً في البحث والتطوير مجموعة متنوعة من تقنيات الترابط الجديدة لسماكة 2 ن. م وما بعدها، ومن بينها: (1) «المَعْدَنَة الهجينة» أو «الملء المسبق»: وتجمع هذه الطريقة بين «العمليات الدمشقية» المختلفة والمواد الجديدة لجعل الوصلات الأصغر ذات تأخير أقل. (2) «شبه دمشقية»: وهو نهج أكثر جذرية باستخدام الحَفْر الطَّرْحِيّ subtractive etch، مما يتيح وصلات بينية مُصغَّرة، واستخدام الروثينيوم بدل النحاس يعتبر أيضاً من الطرق الهجينة (3) «سوبرفياس»، ووصلات الجرافين وتقنيات أخرى: هذه كلها في مجال البحث والتطوير، حيث تواصل الصناعة البحث عن معدن بديل للنحاس.
الانتقال إلى 3 نانومتر وأصغر
عند 3 نانومتر، تخطط شركة سامسونغ Samsung للانتقال إلى الجيل التالي من الترانزستور الذي يسمى «البوابة الشاملة» FETs. تخطط TSMC لتطوير ترانزستور finFET إلى 3 ن. م، لكنها ستنتقل إلى البوابة الشاملة عند 2 ن. م.
بالإضافة إلى ذلك، تقوم الصناعة أيضاً باستكشاف استخدام مواد الروثينيوم للبطانة في الوصلات البينية. قال بونيلا من شركة آي بي إم: «الروثينيوم معروف بتحسين قابلية ترطيب النحاس وسد الفجوة... بينما يتمتع الروثينيوم بقدرة فائقة على التبلل بالنحاس، إلا أنه يعاني من عيوب أخرى، مثل: انخفاض عمر الانتقال الكهربائي، وتحديات عملية الوحدة، مثل: التلميع الميكانيكي الكيميائي. وقد أدى هذا إلى الحد من استخدام بطانات الروثينيوم في الصناعة».
حلول ربط أخرى جديدة وواعدة في الأفق، مثل: تقنية الجيل التالي التي تسمى «المعالجة المعدنية الهجينة»، عند 2 نانومتر، المتوقع أن تتبعها مخططات «شبه دمشقية» ومخططات أخرى في المستقبل. وكل هذا يعتمد على عدة عوامل، منها: القدرة على تطوير عمليات ومواد وأدوات جديدة، فضلاً عن عامل التكلفة.
معلومات إضافية
- العدد رقم:
- 1007
