揭秘芯片内部互连：从线到硅通孔

我们生活在信息时代，信息的传递和接收至关重要。而这一切的基石，正是芯片内部的精妙互连。

从广义上讲，互连在芯片中扮演着举足轻重的角色。它连接着各个组件，确保信号能够准确无误地传输。这种互连依赖于各种结构，包括线、通孔、局部互连等，它们共同构建了一个复杂的网络。

互联的组成元素

一个典型的硅芯片内部，最多可以包含五种不同的互连元素。它们分别是：

• 线：用于在芯片上短距离或长距离传输信号，由金属或多种金属组合而成。
• 通孔（Vias）：连接不同金属层，确保信号能在各层之间传递。
• 局部互连（Local interconnect）：连接晶体管正上方的端子，位于金属层以下。
• 接触孔（Contacts）：连接晶体管与金属层，确保电流能正常流动。
• 硅通孔（TSV）：将信号从晶圆正面传导至背面，是堆叠芯片的关键。

芯片制造过程通常被分为两个阶段：前端工艺（FEoL）和后端工艺（BEoL）。前者负责制造晶体管，后者则专注于构建互连层。

金属线

芯片上的大部分互连结构由金属线组成。这些线通过通孔实现多层连接，确保信号能在不同层之间传递。在早期工艺中，二维布线较为常见，但随着技术进步，一维布线逐渐成为主流。

虽然一维布线可能增加通孔数量，但它能更有效地利用空间，提高布线密度。

局部互连与接触点

晶体管端子之间的短距离互连通过局部互连实现。而接触点则是前端工艺与后端工艺的连接点，确保信号能正常传输。

通孔和接触点的尺寸必须精确控制，以确保良好的良率和性能。

硅通孔（TSV）

当多个芯片堆叠在一起时，TSV变得至关重要。它们将信号从晶圆正面传导至背面，确保堆叠结构能正常工作。

背面供电（Backside Power Delivery）

为了提高电源和接地的布线效率，业界正在探索背面供电方案。在晶圆背面增加金属层，用于电源与接地布线，这将显著提高芯片的集成度和性能。

金属线与通孔的构建

金属线经历了两个主要阶段：铝与铜。铜因其出色的导电性逐渐成为主流。

铝

铝通过沉积/刻蚀工艺加工，形成所需的线路。

铜

铜的导电性优于铝，但存在刻蚀和扩散问题。为解决这些问题，业界开发了双镶嵌工艺，实现了通孔和线路的同步填充。

其他金属的应用

除了铝和铜，还有其他金属在芯片中扮演着重要角色。例如钨用于制作接触孔和通孔，镍则用于制造可靠连接。

介电材料

介电材料虽然不导电，但对金属线的行为有重要影响。它们的主要作用是保持金属线彼此隔离，防止短路。

TSV（硅通孔）的构建

TSV使用的材料与普通通孔相似，但尺寸、形状和制造工艺都不同。它们通过深反应离子刻蚀（DRIE）技术实现。

电源轨与热管

大多数互连结构传输的是信号，但电源与接地线也与这些信号线共处在同一层中。此外，有些TSV用于将热量传导至封装基板或PCB。

互连系统

通过接触孔、通孔和金属线的组合，可在芯片不同区域之间建立连接。随着芯片规模扩大，总线和片上网络（NoC）成为重要的互连方式。

总线

总线是相关信号线的集合，用于传输数据。它们采用多种编码方式和带宽度量单位。

片上网络（NoC）

NoC 在高层次上模仿了网络结构，将原本直接的事务打包成数据包，并寻找路径将其送达目标。

多目标寻址与路由

NoC 的寻址机制通常包含多种发送方式，如单播、广播和多播。路由方式包括存储转发、直通转发和虫洞交换等。

阻塞型与非阻塞型交换器

网络交换器分为阻塞型和非阻塞型。非阻塞型交换器需要更多的电路资源，但能更高效地管理数据包。