Supervia技术是什么？有什么作用？

本文介绍了Supervia技术。

随着半导体工艺推进至3nm及更先进节点，传统互连结构面临金属层过于拥挤和电阻电容（RC）延迟加剧的难题。为应对这一挑战，业界引入了一种名为Supervia（超通孔）的技术。

技术定义与原理

Supervia是一种双大马士革兼容的自对准结构，其核心特征是跨层直接连接。传统通孔仅能连接相邻金属层（如Mx到Mx+1），而Supervia允许跳过中间层，将金属层直接连至非相邻层（如Mx直接连至Mx+2）。由于需要穿过更多绝缘层，该通孔具有极高的深宽比，通常可达10以上，甚至达到13或更高。Supervia可与常规通孔共存于同一设计中，在需要“更快跳跃”的位置发挥作用。

技术优势与性能提升

Supervia在电阻和电容性能上带来显著改善。相较于等效横截面积的常规堆叠通孔，Supervia的垂直路径电阻降低约40%，这得益于其减少了堆叠通孔中多个界面阻挡层。在电容方面，Supervia可使中间金属层的寄生电容降低约10%至16%。相关实验模拟结果显示，Supervia的电容值相对于规则叠孔通孔提高了10%，这表明其对RC延迟问题具有积极影响。此外，通过“旁路”中间金属层，Supervia缓解了该层的布线拥挤，为水平布线腾出更多空间。在PPA（性能、功耗、面积）优化上，研究显示Supervia可使核心面积缩小约3.3%，功耗降低3.2%，并改善信号时序。

关键应用场景

Supervia在标准单元微缩和电源分配网络中具有重要价值。在单元高度缩放方面，传统技术下标准单元通常有7至12个轨道（track），通过缩放助推器可降至6、5甚至4.5个轨道。Supervia是降至4.5轨道的必要工具，它能在高密度布线中减轻线路拥塞，放松金属尖端到尖端等次要设计规则。在埋入式电源轨（BPR）结构中，Supervia有望成为关键组成部分。传统电源轨位于芯片中段（Mint和M1层），占用大量空间且阻碍引脚接入。将电源轨埋入前段制程后，需要高深宽比的Supervia将功率输送到深层电源线路上，从而提高供电效率并减少压降（IR-drop）。

制造挑战与未来展望

制造高深宽比的Supervia面临多项工艺难题。IMEC团队与其合作伙伴已通过双大马士革兼容的自对准集成方案（包括光刻、蚀刻和金属化步骤）制造出首批样品，降低了标准CMOS互连流程的插入成本。然而，当前这些Supervia尚未完全满足所有技术规范，存在非均匀着陆、通孔高度一致性、硬掩模选择比等挑战。同时，超高深宽比使得传统铜镀层工艺容易产生空洞，业界正在探索使用钌（Ru）或钴（Co）等替代材料。此外，现有标准设计工具尚不支持这种结构，需要专门的在线监测计量学。尽管如此，长期来看，启用Supervia结构将有助于达到3nm及以下先进技术节点所需的面积缩放要求。