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用于絕緣不同元件的薄膜在先進(jìn)芯片中造成了散熱問(wèn)題。

 

人工智能的普及正迫使半導(dǎo)體制造業(yè)面對(duì)一個(gè)令人不安的現(xiàn)實(shí)。薄膜對(duì)于隔離信號(hào)、絕緣不同元件和金屬層至關(guān)重要，但隨著人工智能數(shù)據(jù)中心芯片物理尺寸的不斷縮小，薄膜卻逐漸成為散熱陷阱。這反過(guò)來(lái)又限制了芯片的數(shù)據(jù)處理速度，并增加了冷卻所需的功耗。

 

人工智能服務(wù)器芯片中的邏輯電路通常以數(shù)千瓦的功率運(yùn)行，它們產(chǎn)生的熱量必須穿過(guò)錯(cuò)綜復(fù)雜的介電層、金屬屏障和界面，才能到達(dá)散熱器或其他主動(dòng)冷卻裝置。這些薄膜中的許多在設(shè)計(jì)之初并未考慮導(dǎo)熱性能。

 

歷史上，薄膜介電材料主要被視為電學(xué)元件。低介電常數(shù)（Low-k）和超低介電常數(shù)（Ultralow-k）材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化以最大限度地降低電容。高介電常數(shù)（High-k）疊層結(jié)構(gòu)則針對(duì)靜電性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬掩模、刻蝕停止層和擴(kuò)散阻擋層的選擇主要考慮工藝兼容性。熱性能的重要性僅限于材料能否承受高溫工藝步驟。

 

這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。在先進(jìn)邏輯和多芯片集成所需的密度下，熱量會(huì)在互連層和晶體管結(jié)構(gòu)中不均勻地?cái)U(kuò)散，產(chǎn)生局部溫度尖峰，直接影響電阻、漏電、時(shí)序延遲和可靠性。

 

“我們?nèi)栽诓粩嗫s小晶體管尺寸，但如今真正的挑戰(zhàn)在于系統(tǒng)尺寸的縮小，”imec 邏輯技術(shù)副總裁 Julien Ryckaert 表示。“要想讓系統(tǒng)發(fā)揮最佳性能，就需要更好的材料、更好的互連技術(shù)和更好的集成。”

 

隨著邏輯電路和存儲(chǔ)器向垂直堆疊結(jié)構(gòu)發(fā)展，每個(gè)新的鍵合界面或絕緣層都可能成為散熱瓶頸。大多數(shù)電介質(zhì)本身導(dǎo)電性差，這加劇了散熱難題，因?yàn)檫@些電介質(zhì)的設(shè)計(jì)初衷是為了阻擋電流，而不是傳輸聲子。

 

介電材料作為隔熱材料

 

降低介電常數(shù)的原子結(jié)構(gòu)同樣會(huì)阻礙熱傳遞。曾經(jīng)因能降低金屬線間電容而備受青睞的多孔低介電常數(shù)SiCOH薄膜，其熱導(dǎo)率通常為0.1至0.5 W/m·K，比高密度后端工藝（BEOL）堆疊中高效散熱所需的熱導(dǎo)率低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。超低介電常數(shù)材料的性能更差，因?yàn)榻档徒殡姵?shù)的空氣或空隙幾乎完全阻斷了熱傳導(dǎo)。

 

在現(xiàn)代人工智能芯片中，這些薄膜位于承載電流遠(yuǎn)高于前幾代芯片的銅線旁邊。隨著互連線寬縮小到20納米以下，電流密度不斷增加，即使是微小的缺陷，例如孔隙、空隙、接縫或薄弱的界面，都可能成為熱陷阱。

 

這個(gè)問(wèn)題不僅限于后端工藝（BEOL）。高介電常數(shù)柵極介質(zhì)、間隔氧化層和功函數(shù)金屬堆疊層都會(huì)在溝道區(qū)域周?chē)纬删植繜崽荻?。例如，堆疊納米片晶體管的熱流表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性，垂直方向的熱阻通常遠(yuǎn)大于橫向熱阻。

 

其結(jié)果是內(nèi)部熱瓶頸：溝道和互連線中產(chǎn)生的熱量無(wú)法通過(guò)其上方和周?chē)慕橘|(zhì)迷宮快速散發(fā)。這些溫度梯度會(huì)改變遷移率，改變閾值電壓，并加速諸如時(shí)變介質(zhì)擊穿（TDDB）和電遷移等損耗機(jī)制。

 

界面和熱邊界電阻

即使體介質(zhì)性能良好，界面仍然是整體熱阻的主要影響因素。每種材料間的過(guò)渡——金屬到介質(zhì)、介質(zhì)到介質(zhì)、襯墊到銅——都會(huì)在傳遞熱量的原子振動(dòng)中引入不連續(xù)性。這種不匹配，即熱邊界電阻 (TBR)，如今已成為先進(jìn)邏輯電路熱阻抗的主要來(lái)源之一。

 

在10納米以下的工藝尺寸下，擴(kuò)散阻擋層和襯墊層僅有幾納米厚，但它們會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的熱阻效應(yīng)。鉭基襯墊層、氮化鈦?zhàn)钃鯇雍外捗睂佑兄谝种茢U(kuò)散和電遷移，但它們會(huì)阻礙其保護(hù)的銅線的散熱。

 

在高縱橫比溝槽中，側(cè)壁與金屬的界面面積顯著增大，因此任何局部粘合缺陷或微孔都會(huì)成為熱量的陷阱。覆蓋率或界面粘合的微小變化都可能導(dǎo)致局部溫度分布發(fā)生數(shù)度的偏移。

 

原子層沉積（ALD）因其能夠制備均勻、保形的薄膜，已成為最大限度減少這些影響的重要工具。然而，即使精度達(dá)到埃級(jí)，界面化學(xué)和前驅(qū)體動(dòng)力學(xué)仍然是關(guān)鍵變量。

 

ASM公司高級(jí)技術(shù)主管安加達(dá)·薩奇德表示：“從設(shè)備角度來(lái)看，我們需要將工藝控制到原子級(jí)精度。晶體管的某些特征需要在整個(gè)晶圓上沉積一到兩個(gè)原子。”

 

這種精度并不能完全消除熱風(fēng)險(xiǎn)。成核或等離子體暴露的微小偏差都可能改變界面結(jié)合。即使是單層非理想化學(xué)性質(zhì)也能顯著提高局部熱阻，從而導(dǎo)致熱點(diǎn)位置的偏移。

 

薩奇德說(shuō)：“還有一些其他特征，你需要能夠沉積大約10個(gè)原子，但必須精確控制。原子數(shù)的變化必須接近于零。”

 

當(dāng)薄膜成為瓶頸時(shí)，隨著薄膜厚度接近分子尺度，本體行為和界面行為之間的界限開(kāi)始模糊。熱阻越來(lái)越受局部鍵合、孔隙率和污染的影響，而非材料本身的類(lèi)型。

 

“隨著材料變得越來(lái)越復(fù)雜，高溫穩(wěn)定性變得越來(lái)越重要，”布魯爾科學(xué)公司的高級(jí)技術(shù)專(zhuān)家道格拉斯·格雷羅說(shuō)。

 

這種復(fù)雜性不僅源于化學(xué)反應(yīng)，也源于集成本身。每增加一層新的疊層，都會(huì)增加新的應(yīng)力、界面和熱失配。加工過(guò)程中以及器件運(yùn)行過(guò)程中反復(fù)的加熱和冷卻循環(huán)，會(huì)導(dǎo)致低密度介電材料出現(xiàn)微裂紋、空隙增大或分層。

 

這些缺陷一旦形成，就會(huì)改變熱量在疊層結(jié)構(gòu)中的傳遞方式。最初可能只是微小的粘合缺陷或殘留層，隨著時(shí)間的推移，可能會(huì)發(fā)展成明顯的過(guò)熱點(diǎn)。

 

建模與多物理場(chǎng)交互：電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)領(lǐng)域已融合為一個(gè)單一的建模問(wèn)題。在納米尺度上，每個(gè)結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)為一個(gè)耦合系統(tǒng)，其中熱量、應(yīng)力和電流密度持續(xù)相互作用。以往應(yīng)力建模、熱提取和電學(xué)仿真之間的分離不再適用。

 

Synopsys公司的研究員Victor Moroz表示：“如今，僅僅依靠電氣建模已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。機(jī)械應(yīng)力會(huì)影響電氣性能，而熱行為又會(huì)影響這兩者都。”

 

這種耦合作用對(duì)器件性能和良率影響顯著。熱會(huì)引起機(jī)械形變，形變會(huì)改變載流子遷移率和閾值電壓，而這兩種效應(yīng)都會(huì)加速諸如電遷移和偏置溫度不穩(wěn)定性等退化機(jī)制。

 

“熱梯度會(huì)在現(xiàn)代器件中產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力模式，”莫羅茲說(shuō)。“這些應(yīng)力會(huì)影響載流子遷移率、泄漏，甚至長(zhǎng)期可靠性。你不能再把這些問(wèn)題視為彼此獨(dú)立的問(wèn)題了。”

 

每一種新材料和工藝步驟都會(huì)引入新的變量。退火、等離子體處理和薄膜致密化會(huì)改變晶粒結(jié)構(gòu)和界面粘附力，從而改變局部電導(dǎo)率和應(yīng)力分布。在納米片晶體管中，這些效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生各向異性熱流，聲子會(huì)橫向散射穿過(guò)柵極-間隔層界面，而不是垂直散射到襯底中。由此產(chǎn)生的非均勻溫度場(chǎng)會(huì)在器件工作過(guò)程中動(dòng)態(tài)地改變器件參數(shù)。

 

在三維架構(gòu)中，熱機(jī)械反饋會(huì)變得更加強(qiáng)烈。硅、銅和聚合物粘合劑之間微小的熱膨脹系數(shù)差異都可能導(dǎo)致過(guò)孔彎曲、形成納米級(jí)空隙，并在電源循環(huán)過(guò)程中改變接觸幾何形狀。每次熱循環(huán)都會(huì)累積應(yīng)力，導(dǎo)致電阻變化在互連網(wǎng)絡(luò)中傳播。

 

因此，多物理場(chǎng)建模已成為最終驗(yàn)收的先決條件。只有當(dāng)熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)求解器共享同一材料堆疊物理模型時(shí)，才能預(yù)測(cè)可靠性。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種一致性，器件仿真結(jié)果將與實(shí)際硅器件的性能產(chǎn)生偏差。

 

3D堆疊和系統(tǒng)級(jí)散熱路徑：垂直集成放大了每一個(gè)散熱限制。堆疊中的每個(gè)芯片都會(huì)散發(fā)自身的熱量，但它們之間氧化物、聚合物和粘合劑的熱阻決定了熱量散發(fā)的效率。

 

混合鍵合、重分布層和鈍化膜引入了數(shù)十個(gè)額外的邊界，每個(gè)邊界都會(huì)產(chǎn)生各自的熱邊界電阻。底部填充物和封裝材料雖然針對(duì)機(jī)械柔順性進(jìn)行了優(yōu)化，但導(dǎo)熱性能較差，并且會(huì)將熱量橫向引導(dǎo)至低介電常數(shù)材料，而不是垂直地導(dǎo)向散熱器。

 

更薄的硅片會(huì)加劇機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)用于硅通孔的晶圓厚度減至幾十微米時(shí)，熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致芯片彎曲和對(duì)準(zhǔn)偏移，從而使脆弱的互連線承受更大的壓力。最終結(jié)果是，每一個(gè)結(jié)構(gòu)選擇——介質(zhì)層厚度、鍵合化學(xué)、襯墊成分——都變成了熱設(shè)計(jì)決策。

 

三維堆疊結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱性如今更多地取決于界面潔凈度和密度，而非各材料本身的固有特性。曾經(jīng)被視為被動(dòng)絕緣體的介電材料，如今已成為熱管理中的積極參與者。事實(shí)上，它們的粘附性、孔隙率和鍵合特性決定了系統(tǒng)的內(nèi)部溫度分布。

 

檢測(cè)隱藏的熱瓶頸

大多數(shù)檢測(cè)方法仍然通過(guò)電學(xué)透鏡來(lái)觀察介電材料，而忽略了它們的熱行為。密度或界面粘附力的變化很少會(huì)顯著改變電容或電阻，以至于無(wú)法被檢測(cè)到，但它們卻會(huì)扭曲局部溫度場(chǎng)，并導(dǎo)致早期可靠性失效。

 

“即使是肉眼無(wú)法察覺(jué)的電氣缺陷，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，” Microtronic公司應(yīng)用總監(jiān)埃羅爾·阿克默表示。“普通檢測(cè)手段無(wú)法發(fā)現(xiàn)的空隙或接縫可能會(huì)形成熱點(diǎn)，從而影響性能和長(zhǎng)期可靠性。”

 

在細(xì)間距互連和TSV襯墊中，即使是輕微的貼合偏差也會(huì)產(chǎn)生微孔，這些微孔會(huì)積聚熱量。隨著時(shí)間的推移，即使電氣連續(xù)性保持完好，這些熱點(diǎn)也會(huì)加速電遷移和分層。

 

如今，熱不均勻性不再主要依靠計(jì)量技術(shù)檢測(cè)，而是更多地通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)來(lái)發(fā)現(xiàn)。良率和可靠性分析能夠揭示工藝工具無(wú)法察覺(jué)的溫度相關(guān)特征。

 

將這些特征與沉積條件、腔室歷史或前驅(qū)體變化聯(lián)系起來(lái)，可以提供必要的反饋，從而從源頭上防止熱陷阱的產(chǎn)生。在先進(jìn)制造領(lǐng)域，工藝、數(shù)據(jù)和物理的閉環(huán)已成為管理器件內(nèi)部熱量的唯一可行方法。

 

熱邊界電阻和可靠性

 

在納米尺度上，每個(gè)界面都會(huì)增加熱流阻力。即使介電層或阻擋層只有幾個(gè)納米厚，其熱邊界電阻也會(huì)主導(dǎo)周?chē)Y(jié)構(gòu)的溫度分布。這些邊界就像聲子濾波器一樣，散射振動(dòng)而不是傳遞振動(dòng)。隨著器件功率密度的增加，這種散射會(huì)直接轉(zhuǎn)化為自發(fā)熱。

 

在人工智能加速器的精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)中，這一點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯，因?yàn)槠渲袛?shù)千層薄膜相互作用。每增加一層新的金屬蓋、擴(kuò)散阻擋層或介電涂層，都會(huì)引入另一個(gè)潛在的熱流阻礙。降低這種邊界電阻需要原子級(jí)潔凈的界面、優(yōu)化的成核過(guò)程以及精確控制的沉積化學(xué)——這些條件不僅取決于材料的選擇，也取決于設(shè)備的穩(wěn)定性，因?yàn)榍皇移坪颓膀?qū)體純度會(huì)直接影響界面均勻性。

 

當(dāng)這些界面失效時(shí)，其后果并非線性。局部溫度升高會(huì)提高擴(kuò)散速率和電遷移敏感性，進(jìn)而進(jìn)一步增加電阻。即使在平均而言熱穩(wěn)定性良好的器件中，這些反饋回路也會(huì)導(dǎo)致失控發(fā)熱。

“材料必須更薄，”布魯爾科學(xué)公司的格雷羅說(shuō)。“但是，當(dāng)你把材料變薄時(shí)，你就會(huì)失去它原有的整體性能。”

 

失去本體性能意味著導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和膨脹系數(shù)等性質(zhì)都將主要受界面效應(yīng)的影響。薄膜越薄，界面對(duì)性能的影響就越大，結(jié)構(gòu)對(duì)污染或等離子體誘導(dǎo)改性的敏感性也越高。

 

潔凈度的隱性成本

 介質(zhì)堆疊層內(nèi)的污染仍然是導(dǎo)致熱變異性最被低估的因素之一。蝕刻或剝離步驟產(chǎn)生的殘留物、腔室壁的再沉積，甚至墊片的脫氣都會(huì)改變薄膜密度和鍵合。這些通常是痕量級(jí)的影響，幾乎不會(huì)在電學(xué)參數(shù)中體現(xiàn)出來(lái)，但它們確實(shí)會(huì)對(duì)熱傳輸產(chǎn)生可測(cè)量的影響。

 

即使是單層吸附污染物也會(huì)增加局部熱阻，尤其是在高孔隙率或低密度的薄膜中。當(dāng)與不均勻成核或部分等離子體暴露相結(jié)合時(shí)，這些差異會(huì)在納米尺度上形成熱點(diǎn)，從而加速機(jī)械疲勞和分層。

 

熱疲勞已成為人工智能級(jí)硅芯片可靠性的主要限制因素。如今的功率密度已經(jīng)超過(guò)了聚合物和有機(jī)硅酸鹽芯片最初被認(rèn)定的閾值。在運(yùn)行過(guò)程中，從接近空閑狀態(tài)到滿功率狀態(tài)的反復(fù)熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致芯片堆疊層以不同的速率膨脹和收縮，從而削弱界面處的粘合力并產(chǎn)生微裂紋。

 

“你需要能夠經(jīng)受住熱循環(huán)而不釋放氣體、不分解、也不會(huì)在其上下薄膜中引入缺陷的材料，”格雷羅說(shuō)。“如果薄膜在各步驟之間沒(méi)有完全清潔，就會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力，每次器件加熱和冷卻時(shí)都會(huì)累積。這就是我們看到的長(zhǎng)期失效的根源。”

 

當(dāng)粘附力減弱時(shí)，被困的氣體或水分會(huì)在通電下膨脹，進(jìn)一步抬升界面。最初可能只是亞微米級(jí)的空隙，但會(huì)逐漸發(fā)展成性能下降的缺陷。由于這些影響是機(jī)械性的而非電學(xué)性的，因此往往難以通過(guò)在線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。

 

堆疊式架構(gòu)中的熱建模

 精確的熱建模必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出結(jié)溫范圍。先進(jìn)器件的總熱阻是體材料熱導(dǎo)率和數(shù)十個(gè)熱阻系數(shù) (TBR) 的綜合體現(xiàn)，其中許多熱阻系數(shù)會(huì)隨著器件運(yùn)行而動(dòng)態(tài)變化。

 

傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型低估了這種復(fù)雜性。在人工智能加速器和高性能邏輯電路中，功率會(huì)在微秒內(nèi)發(fā)生數(shù)量級(jí)的波動(dòng)。這些快速瞬變會(huì)導(dǎo)致局部升溫，其速度遠(yuǎn)超熱量在低介電常數(shù)材料中的擴(kuò)散速度，從而在小于一微米的結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生數(shù)十?dāng)z氏度的溫差。

 

這些瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性使得純粹的電氣設(shè)計(jì)裕度不可靠。熱量、應(yīng)力和電流密度持續(xù)相互作用，形成反饋回路，從而改變器件在運(yùn)行過(guò)程中的行為。這種熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)之間的耦合定義了現(xiàn)代器件可預(yù)測(cè)性的極限。應(yīng)力會(huì)改變遷移率和漏電流，而這些電氣變化反過(guò)來(lái)又會(huì)改變局部發(fā)熱——這是一個(gè)閉環(huán)，如果不將其作為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行建模，就會(huì)加速器件性能的退化。

 

隨著材料和幾何形狀的演變，包含電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)相互作用的多物理場(chǎng)模型變得至關(guān)重要。仿真參數(shù)必須反映真實(shí)的材料堆疊結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、氫含量和局部各向異性，而不是理想化的塊體材料屬性。如果沒(méi)有這種校準(zhǔn)，仿真可能會(huì)低估局部溫升，從而忽略加速熱致密度衰減（TDDB）或電遷移失效的條件。

 

3D 集成與累積電阻

在 3D 堆疊結(jié)構(gòu)中，熱行為的預(yù)測(cè)變得更加困難，因?yàn)闊崃勘仨毚怪贝┻^(guò)導(dǎo)熱系數(shù)差異巨大的材料。硅的導(dǎo)熱性很好，但分隔堆疊芯片的氧化物、聚合物和粘合劑的導(dǎo)熱性卻很差。

 

每增加一層粘合層或熱重分布層，熱阻都會(huì)在熱階梯上增加一個(gè)臺(tái)階。每一層的貢獻(xiàn)看似很小，但累積熱阻會(huì)隨著堆疊高度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。即使總結(jié)溫保持在設(shè)計(jì)限值內(nèi)，局部層也可能超出其安全熱范圍。

 

人們正在探索具有更高導(dǎo)電性或可調(diào)控各向異性的先進(jìn)材料，但這也帶來(lái)了新的集成難題。致密薄膜導(dǎo)熱性能更佳，但也會(huì)增加電容和應(yīng)力。多孔薄膜可以緩解應(yīng)力，但會(huì)吸收熱量。目前還沒(méi)有一種完美的介電材料能夠同時(shí)滿足這三個(gè)條件。

 

檢測(cè)和測(cè)試作為熱診斷手段

許多此類(lèi)缺陷在電學(xué)特性分析或光學(xué)檢測(cè)中都無(wú)法顯現(xiàn)。熱異?？赡茈[藏在看似正常的信號(hào)行為背后，因?yàn)榭障?、接縫或粘合間隙并非總是會(huì)破壞導(dǎo)電性。

 

此類(lèi)缺陷如同局部絕緣體，即使電氣連續(xù)性完好，也會(huì)阻礙聲子傳輸。在細(xì)間距互連或TSV襯墊中，單個(gè)空洞即可使局部溫度升高數(shù)度，從而加速電遷移和界面疲勞，遠(yuǎn)早于傳統(tǒng)測(cè)試方法檢測(cè)到問(wèn)題。

 

源于原子或納米尺度的熱瓶頸通常只有在可靠性測(cè)試或系統(tǒng)級(jí)評(píng)估期間才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。電阻漂移、參數(shù)不穩(wěn)定和間歇性功能故障都可能源于局部溫度升高，而這些溫度升高通常在工藝驗(yàn)證過(guò)程中被忽略。

 

這些微妙的相互作用如今正通過(guò)數(shù)據(jù)分析得以揭示。通過(guò)關(guān)聯(lián)工藝數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，工程師可以精確定位熱量積聚的位置及其原因。

 

yieldWerx首席執(zhí)行官 Aftkhar Aslam 表示：“當(dāng)我們分析先進(jìn)設(shè)計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些模式，這些模式可以追溯到熱效應(yīng)，而這些熱效應(yīng)僅從工藝數(shù)據(jù)中是看不出來(lái)的。”

 

這種模式可能表明，熱傳導(dǎo)路徑在疊層結(jié)構(gòu)中被一個(gè)或多個(gè)介電層或阻擋層界面阻礙。將這些信息整合到仿真和工藝控制回路中，可以使設(shè)計(jì)假設(shè)與實(shí)際材料性能更加吻合。

 

重新思考介電材料作為活性元件的作用

業(yè)界對(duì)介電材料的理解正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。它們不再僅僅被視為電絕緣體或機(jī)械支撐材料。在高密度、高功率架構(gòu)中，這些薄膜決定了器件的內(nèi)部熱分布。

 

實(shí)際意義在于，每引入一種新的介電材料，無(wú)論是為了降低電容、提高附著力還是提升圖案精度，都必須同時(shí)評(píng)估其導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱性、各向異性和界面化學(xué)性質(zhì)決定了熱量的擴(kuò)散效率、應(yīng)力的累積方式以及器件在負(fù)載下的使用壽命。

 

原子層沉積技術(shù)表明，精確控制薄膜厚度和均勻性可以降低器件變異性，但這只有在界面清潔度和化學(xué)性質(zhì)得到同樣嚴(yán)格控制的前提下才能實(shí)現(xiàn)。工藝工程師目前正在探索如何協(xié)同優(yōu)化原子層沉積前驅(qū)體、等離子體條件和沉積后處理，以在不犧牲電隔離性的前提下降低薄膜厚度比（TBR）。

 

介電函數(shù)的重新定義將是未來(lái)十年半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一。熱、應(yīng)力和電性能的物理特性不再能被視為彼此獨(dú)立的領(lǐng)域。熱管理已演變?yōu)橐粋€(gè)材料問(wèn)題，而不僅僅是封裝問(wèn)題。

 

結(jié)論

先進(jìn)器件的熱極限不再由外部冷卻或封裝設(shè)計(jì)決定，而是由芯片本身的材料決定。每一層介電層、阻擋層和界面都會(huì)增加熱阻，并增加建模的復(fù)雜性。

 

要控制這種電阻，需要在沉積過(guò)程中達(dá)到原子級(jí)精度，嚴(yán)格控制污染，并開(kāi)發(fā)出兼具電絕緣性和熱透明性的新一代材料。隨著堆疊層越來(lái)越高、功率密度越來(lái)越高，如何有效地將熱量從介電層中排出，將決定器件性能和可靠性的下一次飛躍。

 

曾經(jīng)保護(hù)設(shè)備免受電荷干擾的薄膜如今卻阻礙了熱量的散發(fā)。逐層原子地解開(kāi)這個(gè)陷阱，或許將決定高性能計(jì)算的未來(lái)。