В интегральных схемах (ИС) межсоединения представляют собой структуры, которые соединяют два или более элементов схемы (например, транзисторы) вместе электрически. Конструкция и расположение межсоединений на ИС жизненно важны для ее надлежащего функционирования, производительности, энергоэффективности, надежности и выхода годного . Материал, из которого изготавливаются межсоединения, зависит от многих факторов. Необходима химическая и механическая совместимость с полупроводниковой подложкой и диэлектриком между уровнями межсоединения, в противном случае необходимы барьерные слои. Также требуется пригодность для изготовления; некоторые химические вещества и процессы препятствуют интеграции материалов и единичных процессов в более крупную технологию (рецепт) для изготовления ИС. В производстве межсоединения формируются на этапе back-end-of-line после изготовления транзисторов на подложке.
Межсоединения классифицируются как локальные или глобальные в зависимости от расстояния распространения сигнала, которое они способны поддерживать. Ширина и толщина межсоединения, а также материал, из которого они сделаны, являются некоторыми из существенных факторов, которые определяют расстояние, на которое может распространяться сигнал. Локальные межсоединения соединяют элементы схемы, которые находятся очень близко друг к другу, например, транзисторы, разделенные примерно десятью другими смежно расположенными транзисторами. Глобальные межсоединения могут передавать дальше, например, по подсхемам большой площади. Следовательно, локальные межсоединения могут быть сформированы из материалов с относительно высоким электрическим сопротивлением, таких как поликристаллический кремний (иногда силицидированный для расширения его диапазона) или вольфрам . Чтобы увеличить расстояние, на которое может распространяться межсоединение, в различных точках вдоль длинного межсоединения могут быть вставлены различные схемы, такие как буферы или восстановители.
Геометрическими свойствами межсоединения являются ширина, толщина, интервал (расстояние между межсоединением и другим на том же уровне), шаг (сумма ширины и интервала) и соотношение сторон, или AR (толщина, деленная на ширину). Ширина, интервал, AR и, в конечном счете, шаг ограничены в своих минимальных и максимальных значениях правилами проектирования , которые гарантируют, что межсоединение (и, следовательно, ИС) может быть изготовлено по выбранной технологии с разумным выходом. Ширина ограничена, чтобы гарантировать, что межсоединения минимальной ширины не будут иметь разрывов, а межсоединения максимальной ширины могут быть выровнены с помощью химико-механической полировки (CMP). Расстояние ограничено, чтобы гарантировать, что смежные межсоединения могут быть изготовлены без каких-либо мостиков из проводящего материала. Толщина определяется исключительно технологией, а соотношение сторон — выбранной шириной и заданной толщиной. В технологиях, которые поддерживают несколько уровней межсоединений, каждая группа смежных уровней или каждый уровень имеет свой собственный набор правил проектирования.
До внедрения CMP для планаризации слоев ИС, межсоединения имели правила проектирования, которые указывали большую минимальную ширину и пространство, чем нижний уровень, чтобы гарантировать, что грубая топология базового слоя не вызовет разрывов в межсоединении, сформированном сверху. Внедрение CMP сделало возможными более тонкие геометрии.
AR является важным фактором. В технологиях, которые формируют структуры межсоединений с помощью обычных процессов, AR ограничена, чтобы гарантировать, что травление, создающее межсоединение, и осаждение диэлектрика, которое заполняет пустоты между межсоединениями диэлектриком, могут быть выполнены успешно. В тех, которые формируют структуры межсоединений с помощью процессов дамаскин, AR должна обеспечивать успешное травление канавок, осаждение барьерного металла (при необходимости) и материала межсоединений.
Компоновка межсоединений дополнительно ограничивается правилами проектирования, которые применяются к наборам межсоединений. Для заданной области технологии, которые полагаются на CMP, имеют правила плотности , чтобы гарантировать, что вся ИС имеет приемлемое изменение плотности межсоединений. Это связано с тем, что скорость, с которой CMP удаляет материал, зависит от свойств материала, и большие изменения плотности межсоединений могут привести к появлению больших областей диэлектрика, которые могут прогибаться, что приводит к плохой планарности. Для поддержания приемлемой плотности фиктивные межсоединения (или фиктивные провода ) вставляются в области с избыточной плотностью межсоединений.
Исторически межсоединения прокладывались по прямым линиям и могли менять направление, используя секции, выровненные под углом 45° от направления движения. Поскольку геометрия структуры ИС становилась меньше, для получения приемлемых выходов были введены ограничения на направление межсоединений. Первоначально ограничения распространялись только на глобальные межсоединения; они были сделаны так, чтобы проходить по прямым линиям, выровненным с востока на запад или с севера на юг. Чтобы обеспечить легкую маршрутизацию, альтернативные уровни межсоединений проходили в том же направлении, так что изменение направления достигалось путем подключения к нижнему или верхнему уровню межсоединения через сквозное отверстие. Локальные межсоединения, особенно самого нижнего уровня (обычно поликремний), могли предполагать более произвольную комбинацию вариантов маршрутизации для достижения более высокой плотности упаковки.
В кремниевых ИС, наиболее часто используемом полупроводнике в ИС, первые межсоединения были сделаны из алюминия. Алюминий был идеальным материалом для межсоединений из-за его простоты осаждения и хорошей адгезии к кремнию и диоксиду кремния. Межсоединения из алюминия осаждаются методами физического осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы . Первоначально они были сформированы методом влажного травления , а затем различными методами сухого травления .
Первоначально использовался чистый алюминий, но к 1970-м годам проблемы совместимости подложки, пиков соединений и надежности (в основном касающиеся электромиграции ) вынудили использовать сплавы на основе алюминия, содержащие кремний, медь или и то, и другое. К концу 1990-х годов высокое удельное сопротивление алюминия в сочетании с узкой шириной структур межсоединений, вызванной непрерывным уменьшением размера элементов, привело к чрезмерно высокому сопротивлению в структурах межсоединений. Это вынудило заменить алюминий медными межсоединениями .
В ИС на основе арсенида галлия (GaAs), которые в основном используются в областях применения (например, монолитные СВЧ-ИС ), отличных от кремниевых, преобладающим материалом, используемым для межсоединений, является золото .
Чтобы уменьшить задержку, вызванную паразитной емкостью , диэлектрический материал, используемый для изоляции соседних межсоединений и межсоединений на разных уровнях (межуровневый диэлектрик [ILD]), должен иметь диэлектрическую проницаемость , максимально близкую к 1. Класс таких материалов, диэлектрики с низким κ , был представлен в конце 1990-х и начале 2000-х годов для этой цели. По состоянию на январь 2019 года самые передовые материалы снижают диэлектрическую проницаемость до очень низких уровней за счет высокопористых структур или за счет создания существенных воздушных или вакуумных карманов (диэлектрик с воздушным зазором). Эти материалы часто имеют низкую механическую прочность и в результате ограничены самым низким уровнем или уровнями межсоединения. Высокая плотность межсоединений на нижних уровнях, наряду с минимальным расстоянием, помогает поддерживать верхние слои. Intel представила диэлектрик с воздушным зазором в своей 14- нм технологии в 2014 году.
ИС со сложными схемами требуют нескольких уровней межсоединений для формирования схем с минимальной площадью. По состоянию на 2018 год самые сложные ИС могут иметь более 15 слоев межсоединений. Каждый уровень межсоединений отделен друг от друга слоем диэлектрика. Для создания вертикальных соединений между межсоединениями на разных уровнях используются переходные отверстия . Самые верхние слои чипа имеют самые толстые, самые широкие и самые широко разделенные металлические слои, что делает провода на этих слоях имеющими наименьшее сопротивление и наименьшую постоянную времени RC , поэтому они используются для сетей распределения питания и часов . Самые нижние металлические слои чипа, ближайшие к транзисторам, имеют тонкие, узкие, плотно упакованные провода, используемые только для локальных межсоединений. Добавление слоев может потенциально улучшить производительность, но добавление слоев также снижает выход продукции и увеличивает производственные затраты. [1] ИС с одним металлическим слоем обычно используют слой поликремния для «перепрыгивания», когда одному сигналу необходимо пересечь другой сигнал.
Процесс, используемый для формирования конденсаторов DRAM , создает грубую и холмистую поверхность, что затрудняет добавление слоев металлических соединений и сохранение высокого выхода годных изделий.
В 1998 году современные процессы DRAM имели четыре металлических слоя, в то время как современные логические процессы имели семь металлических слоев. [2]
В 2002 году обычным явлением было пять или шесть слоев металлических соединений. [3]
В 2009 году 1 Гбит DRAM обычно имела три слоя металлических соединений: вольфрам для первого слоя и алюминий для верхних слоев. [4] [5]