Межсоединение (интегральные схемы)

В интегральных схемах (ИС) межсоединения представляют собой структуры, которые электрически соединяют два или более элементов схемы (например, транзисторов). Конструкция и расположение межсоединений на микросхеме жизненно важны для ее правильного функционирования, производительности, энергоэффективности, надежности и производительности . Материал, из которого изготовлены межблочные соединения, 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 процессы и процессы препятствуют интеграции материалов и единичных процессов в более крупную технологию (рецепт) изготовления ИС. При изготовлении межсоединения формируются на заднем конце линии после изготовления транзисторов на подложке.

Межсоединения классифицируются как локальные или глобальные межсоединения в зависимости от расстояния распространения сигнала, которое они могут поддерживать. Ширина и толщина межсоединения, а также материал, из которого оно изготовлено, являются одними из важных факторов, определяющих расстояние, на которое может распространяться сигнал. Локальные межсоединения соединяют элементы схемы, расположенные очень близко друг к другу, например транзисторы, разделенные примерно десятью другими, расположенными рядом транзисторами. Глобальные межсоединения могут передавать дальше, например, по подканалам большой площади. Следовательно, локальные межсоединения могут быть сформированы из материалов с относительно высоким удельным электрическим сопротивлением, таких как поликристаллический кремний (иногда силицидированный для расширения его диапазона) или вольфрам . Чтобы увеличить расстояние, на которое может достигать межсоединение, в различных точках длинного межсоединения можно вставить различные схемы, такие как буферы или восстановители.

Свойства межсоединения

Геометрическими свойствами межсоединения являются ширина, толщина, расстояние (расстояние между межсоединением и другим межсоединением на том же уровне), шаг (сумма ширины и расстояния) и соотношение сторон, или AR (толщина, разделенная на ширину). ). Ширина, расстояние, AR и, в конечном итоге, шаг ограничены минимальными и максимальными значениями 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 повреждены, а межсоединения максимальной ширины можно выровнять с помощью химико-механической полировки (CMP). Расстояние ограничено, чтобы обеспечить возможность изготовления соседних межсоединений без перемычек из проводящего материала. Толщина определяется исключительно технологией, а соотношение сторон – выбранной шириной и заданной толщиной. В технологиях, поддерживающих несколько уровней межсоединений, каждая группа смежных уровней или каждый уровень имеет свой собственный набор правил проектирования.

До введения CMP для выравнивания слоев ИС в межсоединениях существовали правила проектирования, которые определяли большую минимальную ширину и пространство, чем нижний уровень, чтобы гарантировать, что грубая топология нижележащего слоя не вызывает разрывов межсоединений, сформированных наверху. Внедрение CMP сделало возможным более точную геометрию.

AR является важным фактором. В технологиях, которые формируют структуры межсоединений с помощью традиционных процессов, AR ограничивается гарантией того, что травление, создающее межсоединение, и осаждение диэлектрика, которое заполняет пустоты между межсоединениями диэлектриком, могут быть выполнены успешно. В тех случаях, когда структуры межсоединений формируются с помощью дамасских процессов, AR должен обеспечивать успешное травление канавок, осаждение барьерного металла (при необходимости) и материала межсоединений.

Компоновка межсоединений дополнительно ограничивается правилами проектирования, применимыми к наборам межсоединений. Для конкретной области технологии, основанные на CMP, имеют правила плотности , гарантирующие, что вся микросхема имеет приемлемые вариации плотности межсоединений. Это связано с тем, что скорость, с которой CMP удаляет материал, зависит от свойств материала, а большие различия в плотности межсоединений могут привести к образованию больших площадей диэлектрика, которые могут вогнутыми, что приводит к плохой планарности. Для поддержания приемлемой плотности фиктивные межсоединения (или фиктивные провода ) вставляются в области с запасной плотностью межсоединений.

Исторически межсоединения прокладывались по прямым линиям и могли менять направление, используя секции, расположенные под углом 45 ° к направлению движения. Поскольку геометрия структуры ИС стала меньше, для получения приемлемого выхода продукции были наложены ограничения на направление межсоединений. Первоначально ограничения распространялись только на глобальные межсоединения; были созданы для движения по прямым линиям, выровненным с востока на запад или с севера на юг. Чтобы облегчить маршрутизацию, альтернативные уровни межсоединений проходили по одному и тому же выравниванию, так что изменения направления достигались путем подключения к нижнему или верхнему уровню межсоединения через переходное отверстие. Локальные межсоединения, особенно самый низкий уровень (обычно поликремний), могут предполагать более произвольную комбинацию вариантов маршрутизации для достижения более высокой плотности упаковки.

Материалы

В кремниевых ИС, наиболее часто используемом полупроводнике, первые межсоединения были изготовлены из алюминия. Алюминий был идеальным материалом для межсоединений благодаря простоте нанесения и хорошей адгезии к кремнию и диоксиду кремния. Алюминиевые межсоединения наносятся методами физического или химического осаждения из паровой фазы . Первоначально узоры на них создавались методом мокрого травления , а затем с помощью различных сухого травления техник .

Первоначально использовался чистый алюминий, но к 1970-м годам совместимость подложек, спайки на переходах и проблемы надежности (в основном связанные с электромиграцией ) вынудили использовать сплавы на основе алюминия, содержащие кремний, медь или то и другое. К концу 1990-х годов высокое удельное сопротивление алюминия в сочетании с узкой шириной межсоединений, вызванное постоянным уменьшением размеров элементов , привело к непомерно высокому сопротивлению межсоединений. Это привело к замене алюминия 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 .

Улучшения производительности

Чтобы уменьшить штраф за задержку, вызванный паразитной емкостью , диэлектрический материал, используемый для изоляции соседних межсоединений и межсоединений на разных уровнях (межуровневый диэлектрик [ILD]), должен иметь диэлектрическую проницаемость , как можно более близкую к 1. Класс таких материалов, диэлектрики с низким κ , был представлен для этой цели в конце 1990-х и начале 2000-х годов. По состоянию на январь 2019 года самые современные материалы снижают диэлектрическую проницаемость до очень низкого уровня за счет высокопористых структур или за счет создания значительных воздушных или вакуумных карманов (диэлектрик с воздушным зазором). Эти материалы часто имеют низкую механическую прочность и в результате ограничиваются самым низким уровнем или уровнями межсоединений. Высокая плотность межсоединений на нижних уровнях вместе с минимальным расстоянием помогает поддерживать верхние уровни. В 2014 году Intel представила диэлектрик с воздушным зазором в своей 14- нм технологии.

Многоуровневые межсоединения

ИС со сложными схемами требуют нескольких уровней межсоединений для формирования схем минимальной площади. По состоянию на 2018 год самые сложные микросхемы могут иметь более 15 уровней межсоединений. Каждый уровень межсоединений отделен друг от друга слоем диэлектрика. Для создания вертикальных соединений между межсоединениями на разных уровнях переходные отверстия используются . Самые верхние слои чипа имеют самые толстые, широкие и наиболее широко разделенные металлические слои, благодаря чему провода на этих слоях имеют наименьшее сопротивление и наименьшую постоянную времени RC , поэтому они используются для сетей распределения питания и тактовой частоты . Самые нижние металлические слои чипа, ближайшие к транзисторам, имеют тонкие, узкие, плотно упакованные провода, используемые только для локального межсоединения. Добавление слоев потенциально может повысить производительность, но добавление слоев также снижает производительность и увеличивает производственные затраты. ^[1] Микросхемы с одним металлическим слоем обычно используют слой поликремния для «перехода», когда один сигнал должен пересечь другой сигнал.

Процесс, используемый для формирования конденсаторов DRAM, создает шероховатую и холмистую поверхность, что затрудняет добавление металлических слоев межсоединений и сохранение хорошего выхода.

В 1998 году современные процессы DRAM имели четыре металлических слоя, а современные логические процессы — семь металлических слоев. ^[2]

В 2002 году пять или шесть слоев металлического межсоединения были обычным явлением. ^[3]

В 2009 году DRAM 1 Гбит обычно имела три слоя металлических межсоединений; вольфрам для первого слоя и алюминий для верхних слоев. ^[4]^[5]

См. также

Ссылки

^ ДеМоун, Пол (2004). «Невероятное сокращение процессора» .
^ 1998. Ким, Ён-Бин; Чен, Том В. (15 мая 1996 г.). Оценка объединенной технологии DRAM/Logic . 1996 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам. Схемы и системы, соединяющие мир. Атланта, США. стр. 133–36. дои : 10.1109/ISCAS.1996.541917 .
^ Ренц, М. (2002). «Введение в технологию IC» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г.
^ Джейкоб, Брюс; Нг, Спенсер; Ван, Дэвид (2007). «Раздел 8.10.2: Сравнение процесса, оптимизированного для DRAM, с процессом, оптимизированным по логике» . Системы памяти: кэш, DRAM, диск . Морган Кауфманн. п. 376. ИСБН 9781558601369 .
^ Чой, Янг (2009). «Битва начинается на арене 50-нм DRAM» . Архивировано из оригинала 6 апреля 2012 г. Проверено 8 января 2019 г.

Харрис, Дэвид Мани; Весте, Нил (2011). Проектирование СБИС КМОП: взгляд на схемы и системы (4-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 9780321547743 .
Шварц, Джеральдин Когин (2006). Шварц, Джеральдин К.; Шрикришнан, Крис В. (ред.). Справочник по технологии полупроводниковых межсоединений (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 9781420017656 .

[1] ДеМоун, Пол (2004). «Невероятное сокращение процессора» .

[2] 1998. Ким, Ён-Бин; Чен, Том В. (15 мая 1996 г.). Оценка объединенной технологии DRAM/Logic . 1996 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам. Схемы и системы, соединяющие мир. Атланта, США. стр. 133–36. дои : 10.1109/ISCAS.1996.541917 .

[3] Ренц, М. (2002). «Введение в технологию IC» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г.

[4] Джейкоб, Брюс; Нг, Спенсер; Ван, Дэвид (2007). «Раздел 8.10.2: Сравнение процесса, оптимизированного для DRAM, с процессом, оптимизированным по логике» . Системы памяти: кэш, DRAM, диск . Морган Кауфманн. п. 376. ИСБН 9781558601369 .

[5] Чой, Янг (2009). «Битва начинается на арене 50-нм DRAM» . Архивировано из оригинала 6 апреля 2012 г. Проверено 8 января 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]