《多层互连的过孔设计》

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zjwumei@126.com，anj@xidian.edu.cn，2021-8-8 02:19

Part1  问题的来源        

图1.1  单层布线

如果之前看过分立电路的印刷电路板（PCB），那么集成电路的布线层就相当于“微缩版的PCB”，它也分为单层布线（单面板）和多层布线（双面板，多层板）。（如图1.1）在集成电路的同一个布线层中，不同金属导线之间通过绝缘材料（二氧化硅很常见）实现电学绝缘。

图1.2 复杂拓扑关系的布线

为了实现更复杂的功能，电路中的器件会越来越多，器件之间的电学连接拓扑关系也越来越复杂，结果是使用单层布线无法“布通”。这种情况下，只有增加布线层才能实现“布通”的效果（如图1.2，红色跳线就代表需要另外一层才能完成布线），这就是所谓的“多层布线”。

Part2  多层布线

2.1  多层布线的物理结构

相邻布线层之间使用绝缘材料（常见的是SiO2）进行电学隔离，相同布线层中的导线使用绝缘材料（常见的是SiO2）进行电学隔离；相邻布线层中的导线，通过在绝缘层上开孔、孔内填满导电材料，“实现电学连通”。

2.2  孔

穿透绝缘层的“孔”分为两大类：第一种“孔”称为Contact（接触孔），用来连接“布线”和“器件层的电极”；第二种“孔”称为Via（通孔），用来连接位于不同布线层的导线。

“孔”，从工艺制备的角度来说，分为两步，首先是开孔，然后是在孔内填满导电材料；从版图的角度来说，画出来就只是一个“矩形”而已。

2.3  量变带来的新问题

在进行“多层互连”的时候，很多问题自然而然的出现了，接下来通过剖面图来逐一说明：

图2.1  制作Contact（接触孔）

（图2.1）在器件层上制作了“Contact”，“黄色”表示在孔中填充的导电材料，“灰色”表示各孔之间的绝缘材料，共用C1.1，C1.2，C1.3，C1.4，C1.5表示了五种情况。其中C1.1～C1.3因为孔比较大，所以金属材料在填充的时候，表面会向下凹（表面张力和重力导致）；C1.4和C1.5因为孔比较小，所以填充的金属表面近似水平。

图2.2  制作Metal 1（简写为M1）

（图2.2）做完了Contact之后，先在材料表面生长一层Metal，然后使用光刻和腐蚀工艺得到需要的金属布线。

图2.3  制作Via 1（简写为V1）

（图2.3）在Metal 1上生长绝缘层，然后做孔。因为这次的孔用来连接M1和M2，所以它的名字改为“Via”，翻译成“通孔”，通的意思类似“架在河上的桥梁，取穿通，打通的意思，打通的就是相邻互连层之间的绝缘材料”。

那么Via应该放在哪里呢？这个东西没有多么神器，你就把它当成做试验，所有的可能都试一下，我画了5种情况，分别是“V1.1～V1.5”。

图2.4  制作Metal 2（简写为M2）

（图2.4）做完了Via 1之后，先在材料表面生长一层Metal，然后使用光刻和腐蚀工艺得到需要的金属布线。因为这是第二层Metal，所以称它为Metal 2，这里简写为M2。

图2.5  制作Via 2（简写为V2）

（图25）在Metal 2上生长绝缘层，然后做孔，即Via 2。现在，应该把所有的可能都列出来了，如果有忘记分析的情况，大家留言提醒一下。

图2.6  制作Metal 3（简写为M3）

（图2.4）做完了Via 2之后，先在材料表面生长一层Metal，然后使用光刻和腐蚀工艺得到需要的金属布线。因为这是第三层Metal，所以称它为Metal 3，这里简写为M3。现代多层布线可以到128层以上，这里只画3层进行演示。

小结一下：金属层数的命名是根据工艺制造的先后命名的，从剖面图来看就是从下向上依次排序的；在垂直方向，C1.1-V1.1-V2.1和C1.5-V1.5-V2.5是重合的，其它的都存在不重合，也就是说，Contact和Via在垂直方向可能会出现“重合、交错”两种情况。

那么问题来了，重合和交错可能会带来什么影响？

2.4  问题分析

2.4.1  寄生电阻和电容

交错的孔会引入寄生电阻和寄生电容，除非是设计本来就有的，否则寄生效应会对电路性能构成不利的影响，会增加后仿真中调整参数的工作量。

图2.7  寄生电阻和寄生电容

2.4.2  可制造性

除了电学性能之外，还需要考虑的是可造性。对比V1.2和V1.3，其中V1.2的地基是凹陷，V1.3的地基是平面。因为后面的工艺会继承前面的凹陷，很多时候都会放大凹陷的程度，最终降低良率，所以“平面地基”更有利于后面的工序制造。

对于打孔来说，表面无法填平是客观存在的。为了避免在不平整的地基上做孔，要么采用V1.3的方法做孔，要么开发“平坦化工艺”，比如CMP工艺，把表面去掉一层，也就是表面没有填平的地方全部去掉，那么就不存在不平整的地基了。Via 1这一层就采用了平坦化工艺（如图2.8）。

图2.8  平坦化工艺（去掉坑坑洼洼，把表面磨平）

2.4.3  可靠性

集成电路工作时可能会产生大量的热（比如，计算机cpu不加散热器是可以煎鸡蛋的），构成集成电路的各种材料就发生“热胀冷缩”（如图2.9）

图2.9  热胀冷缩

这里做的是最简单的受热膨胀的分析，并且假设“孔受热膨胀变形最严重，绝缘材料（隔离层）和导电材料（Metal）相对很小被忽略”：

（图2.9的纵坐标）重合孔的形变量（h2）最大，交错孔的形变量（h1）次之。随着布线层数↑，h2和h1继续增大，显然“h2-h1”继续增大。

如果h0随温度变化没有h2大，就会出现（图2.10）的情况：最坏的情况=隔离层被孔撑破；次之，隔离层没有被撑破，但是反复大幅度形变，很快就会出现裂缝。隔离层被破坏之后，相邻层的导线可能会短路，形变较大处的导线可能会被折断，通过裂缝入侵的水汽等杂质会破坏芯片内部结果，导致芯片很快报废。“芯片寿命很短，可靠性很低”都是不能被用户接受的。（图2.10）仅以重叠孔为例，“VC不重叠”只是比“VC重叠”的破坏力弱一些而已。

图2.10  孔受热膨胀的极端情况

如果h0随温度变化与h2相同，就会出现（图2.11）这种非常理想的情况。

图2.11  受热膨胀的理想情况

2.5  对策

版图设计是建立在“工艺流程”基础上的，不能随心所欲的画；版图和工艺配合，就会制造出特定的物理结构。

尽可能的使孔和绝缘材料的膨胀形变量相同，如果工艺上无法实现这一点，首先要减少重合孔的使用，其次是减少布线的层数。

更细致的变形量分析，大家可以使用相应的工具进行精细分析。

2.6  致谢

感谢windyxqy发帖 “[资料] 版图过孔层叠比较”！

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