四种芯片的后段互连工艺逻辑

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了四种芯片的后段互连。

在芯片制造中，后段互连(BEOL)负责把底层晶体管连接成完整电路。不同芯片的金属层数和材料选择差异很大，这是由各自的应用需求决定的。

逻辑芯片

(CPU/GPU)对互连要求最高。它需要把数十亿个晶体管连接成复杂的高速通路，既有密密麻麻的局部信号线，也有宽大的电源线和全局总线。因此逻辑芯片的金属层数最多，先进节点(如5nm、3nm)通常有12到16层。最下面几层用铜和低k介质，线宽细、密度高;中间层走全局信号;最上层厚金属用于供电和散热。

DRAM内存

追求的是存储密度和访问速度。它的单元结构规整，外围电路相对简单，互连复杂度低于逻辑。主流DRAM的金属层数在3到6层之间，一般采用铜互连，但不需要极低k介质，因为延迟不是首要瓶颈。

NAND闪存

(尤其是3D NAND)的存储单元垂直堆叠在下方，外围电路做在侧面或上方。它的互连主要是把外围逻辑和字线/位线连接起来，层数比逻辑少，通常在4到8层。由于存储密度主要靠纵向堆叠，金属层不需要太多，但每层金属的厚度和宽度会根据电流负载优化。

功率芯片

(如MOSFET、IGBT、GaN HEMT)的任务是承载大电流、耐高压。它的晶体管数量少(通常只有一个或几个功率管)，互连非常简单。功率芯片的金属层通常只有1到2层，而且金属非常厚(数微米甚至十几微米)，以降低电阻、承受大电流。材料多用铝或铜，有时还会在顶层沉积厚铝或电镀铜。

为什么会有这些差异?逻辑芯片需要处理海量信号，必须用多层细线实现高密度布线;存储芯片侧重单元密度和访问带宽，互连适中;功率器件强调低电阻和高可靠性，宁厚勿多。此外，成本也是重要因素——每增加一层金属，光刻和沉积工序就多一道，成本直线上升。因此，工程师会根据芯片的实际需求，精确选择金属层数和工艺方案，在性能、功耗和成本之间找到最佳平衡。