CMOS第一层互联的结构与作用

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了CMOS工艺中第一层互联的作用、材料及工艺步骤。

芯片中的晶体管（如NMOS和PMOS）需要通过金属线连接才能形成完整电路。第一层互联（通常称为M0或Local Interconnect）是直接连接晶体管源极、漏极和栅极的金属层，位于晶体管上方，距离硅衬底仅几十纳米。它的核心任务是在器件层建立最短、最密集的连接通道，避免信号绕行到高层金属，从而提升芯片性能和集成密度。

第一层互联的结构与作用

以最简单的CMOS反相器为例（如下图），NMOS和PMOS的漏极与源极需要通过金属线直接相连：

物理结构：

NMOS漏极（A）与PMOS源极（C）通过第一层铜线（B）直接连接，形成输出端；

栅极（Input）通过多晶硅或金属线接收输入信号；

电源（Vdd）和地线（GND）通过局部互连分别连接到PMOS和NMOS。

缩短路径：信号直接在晶体管间传输，无需绕行至更高层金属（如M1-M10），延迟降低15%-20%；节省面积：在7 nm芯片中，第一层互联使逻辑单元面积缩小30%以上；简化设计：减少布线交叉点，降低电路复杂度。

材料与工艺

第一层互联的金属线宽度通常在10-30 nm（约为头发丝的万分之一），需采用特殊材料和工艺：铜（Cu）：电阻率低（1.68 μΩ·cm），但需搭配氮化钽（TaN）阻挡层防止铜扩散；钴（Co）：在5 nm以下节点逐步替代铜，填充深宽比>5:1的纳米沟槽时无空隙缺陷；阻挡层：2 nm厚的钽（Ta）或钛（Ti），增强金属与介质层的结合力。

工艺步骤

刻蚀沟槽：在氧化层中刻蚀出纳米级凹槽（深度50-100 nm，宽度10-20 nm）；沉积阻挡层：用物理气相沉积（PVD）或原子层沉积（ALD）生成2 nm厚的TaN；铜种子层与电镀：PVD沉积铜种子层，电镀填充铜；化学机械抛光（CMP）：磨平表面，确保金属线平坦化。