半导体芯片中的互连层次

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了芯片中金属互连线的各个层级的不同设计。

在半导体芯片中，数十亿晶体管需要通过金属互连线（Interconnect）连接成复杂电路。随着制程进入纳米级，互连线的层次化设计成为平衡性能、功耗与集成度的关键。芯片中的互连线按长度、功能及材料分为多个层级，从全局电源网络到晶体管间的纳米级连接，每一层都有独特的设计考量。

全局互连（Global Wires）

层级范围：通常为最高层金属（如M8、M9），最多2层。

长度：5-10mm，覆盖整个芯片区域。

功能：传输电源（Vdd）、地线（GND）及全局时钟信号。

材料：采用掺氟硅酸盐玻璃（FSG，k≈3.5）或传统氧化物（SiO₂，k≈3.9）作为绝缘介质，铜（Cu）为导体。

设计优势：高层金属厚度可达1-3μm，电流承载能力是低层金属的2-3倍，适合大电流传输。

半全局互连（Semi-Global Wires）

层级范围：中间层金属（如M4-M7），最多4层。

长度：0.5-5mm，连接不同功能模块（如CPU核心与缓存）。

材料：绝缘介质为碳掺杂硅氧化物（CDO，k≈2.8-3.2），铜互连搭配氮化钽（TaN）阻挡层。

性能优化：CDO的碳掺杂降低介电常数，减少信号串扰，同时保持机械强度。

中间互连（Intermediate Wires）

层级范围：低层金属（如M2-M3），最多5层。

长度：<100μm，实现模块内局部连接。

材料：同样使用CDO介质，铜互连需更薄的阻挡层（1-2nm TaN）。

工艺挑战：深宽比>5:1的通孔需原子层沉积（ALD）铜籽晶层，避免电镀空洞。

局部互连（M1 & Contacts）

层级范围：最底层金属（M1），直接连接晶体管源/漏极。

长度：<50μm，纳米级线宽（10-20nm）。

材料：CDO介质，钴（Co）或钌（Ru）逐步替代铜，减少电阻飙升问题。

关键技术：选择性外延填充接触孔，结合化学机械抛光（CMP）确保平坦化。