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芯片内部晶体管之间需要使用导线互相连接才能工作，最初半导体使用的是铝线作为互连线。铝价格便宜工艺简单，但有一个致命的问题就是电阻率略高。 随着半导体的快速发展，互连线越来越细，铝互连线的高电阻逐渐成为了瓶颈，于是就需要一种电阻率更低材料来代替铝。那么哪种材料电阻率最低呢？是银和铜。 银价格昂贵，性质又不活泼，导致银的生长工艺非常复杂。于是相对便宜又活泼的铜就成了自然的选择。 可是铜作为芯片内互连线依然有个问题，那就是它有那么点太活泼了。当芯片工作的时候，导线上会存在电场，而铜的活泼特性导致它在被电离之后会随着电场飘走，导致导线变细电阻变大，这就是困扰铜互连的电迁移问题。雪上加霜的是铜和绝缘层之间没有办法形成稳定的过度晶格，也就是说铜导线和绝缘层之间并没有稳定的界面。这会导致活蹦乱跳的铜甚至能直接扩散到二氧化硅里去。 为了解决这个问题，工程师需要一种材料，它既能和绝缘层形成稳定的共价键，又能和铜形成稳定界面。这样它就能作为铜和绝缘层之间的中间层，方便铜薄膜的生长的同时并有效地“拉住”铜原子让它们不要乱跑，来缓解电迁移。而且这种材料也要作为导线的一部分参与导电，所以它的电阻率不能太高。最后被选中的材料就是氮化钽。 现今半导体生长薄膜多采用CVD（化学气相淀积）工艺，就是让气体在晶圆表面发生化学反应，生成出固态产物并淀积在晶圆上，氮化钽也是如此。CVD对于反应过程的控制要求非常高，无论是反应气体的纯度、比例还是反应温度、时间都必须严格控制，否则薄膜的纯净度就会受到影响。最简单的例子，比如反应气体中一旦混入了超标的水蒸气，水蒸气会参与到反应中，并会导致淀积的氮化钽薄膜里出现氧原子。而温度等反应条件不对也可能导致反应气体产生CVD不需要的其他反应，最终错误地产生出氧原子进入薄膜。 氧原子这玩意比铜原子还不安分，原本存在于氮化钽中的氧原子很快就会随着热运动渗入铜导线里，破坏掉铜导线的晶格结构。这产生的晶格缺陷不仅会导致铜导线的电阻率上升，还会导致导线对电迁移的抗性下降，电迁移衰减变得更快。这就是科技耶稣所说的“氧化”问题。 芯片内信号通过导线传输由于距离很短通常可以忽略传输线效应，近似看作是一个电容充放电的RC延迟，铜导线电阻变大会直接导致信号延迟等比例增加。而芯片内对信号的传输延迟有着时序要求，如果延迟过大超过了时序允许的上限，就会导致电路后级接收到错误的信号，从而导致CPU运算出错。CPU里信号传输距离最长，延迟最大的就是环形总线，所以电迁移和氧化缺陷导致的信号延迟增加之后，很可能第一个遇到瓶颈的就是环形总线。于是我们就会看到疑似环形总线出错导致的CPU报错。 最后，回到Intel 13/14代的问题，如果科技耶稣说的问题属实，那就得看具体的问题来源。如果氧化缺陷是反应剂污染导致的，那只有使用了污染原料的CPU批次会受影响，等Intel换掉了污染原料，后续的CPU就不会有问题了。如果是反应流程存在问题，那说明Intel工厂的质量控制存在问题，Intel需要重新改进Intel 7工艺的生产流程来解决这一问题。最糟糕的是生产工艺不存在什么质量问题，只是Intel留下的设计裕度太小了，导致CPU无法容忍哪怕一点点不可避免的工艺缺陷，那只能建议13/14代直接入土了。 当然，鉴于12代没出问题，更有可能实际原因是介于二者之间，13/14代较小的设计裕度配上有潜在缺陷的工艺流程，最后再来点灰烬超频，于是就……
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发表于 2024-7-21 01:40
