集成電路的互連線材料及其發展

陳 君， 侯 倩，廉得亮

(深圳大學信息工程學院,廣東 深圳 518060)

集成電路的互連線材料及其發展

陳 君， 侯 倩，廉得亮

(深圳大學信息工程學院,廣東 深圳 518060)

集成電路(Integrated Circuits)的快速發展，導致對互連線的材料要求更高，互連線的問題成為了集成電路的研究熱點。尤其是當電路的特征尺寸越來越小的時候，互連線引起的各種效應是影響電路性能的重要因素。本文闡述了傳統金屬鋁以及合金到現在主流的銅以及正在發展的新型材料——碳納米管作為互連線的優劣，并對新型光互連進行了介紹。

集成電路；互連線；金屬；碳納米管；光互連

0 引言

如今，集成電路(Integrated Circuits, IC)朝著高密度和低功耗方向發展，IC中器件的特征尺寸日益減小，現代集成電路可以集成得非常緊湊,可將數十億晶體管和其他電子組件集成在一個面積約1 cm2甚至更小的襯底上。由于特征尺寸越來越小，互連線越來越細，導致互連引線橫截面和線間距的減小, 電阻、電容、電感引起的寄生效應越來越影響電路的性能，互連RC延遲成為限制整體信號傳播延遲的重要原因。所以集成電路的互連線的發展對集成電路的發展影響深遠。減少RC延遲、動態功耗以及相聲噪聲是研究集成電路互連線的新材料的動力[1]。

1 金屬互連線

集成電路金屬互連引線在選材方面需要具有較小的電阻率且易于沉積和刻蝕。集成電路芯片中的金屬連線通常要能夠承受很高的電流強度(105A/cm2以上)，在高電流強度下，集成電路芯片中就容易出現電遷移。由于金屬離子變得活躍了, 大量電子的猛烈撞擊就發生宏觀遷移現象。電遷移使得金屬離子會在陽極堆積成小丘,在陰極出現空洞，導致金屬引線斷裂，從而使整個集成電路失效[2]。集成電路金屬互連引線在選材方面需要具有良好的抗電遷移特性。

1.1 鋁互連線

鋁基本上可以滿足作為集成電路互連線性能的要求，所以集成電路中最初常用的互連金屬材料是鋁。在室溫下，鋁的導電率高(電阻率僅為2.65 μΩ·cm)，與n型、p型硅或多晶硅的歐姆接觸電阻低(可低至10-6Ω/cm)，與硅和磷硅玻璃的附著性很好，易于沉積與刻蝕。在傳統的鋁互連工藝技術中,互連引線的加工流程是首先在介質層上淀積金屬層鋁 ,然后以光刻膠作掩膜,刻蝕形成金屬互連引線的圖形。隨著對于集成電路制造工藝越來越成熟，特征尺寸能做得越來越小，鋁互連線也暴露出許多致命的缺陷，尖楔現象和電遷移現象最為嚴重。

目前集成電路的襯底基本為硅，然而鋁在硅中的溶解度非常低，而硅在鋁中的溶解度卻非常高，由于這一物理現象，導致了集成電路淀積在硅片上的鋁與硅接觸時硅會溶于鋁中而產生裂縫，一般鋁/硅接觸中的尖楔長度可以達到1 μm，而集成電路中有源區的厚度一般都在納米級別。因此尖楔現象的存在可能使某些PN節失效。電遷移現象上文已經說明，隨著互連線層數和互連線長度的迅速增加以及互連線寬度的減小,更容易出現電遷移現象。當人們發現鋁互連線已經不能適應互連技術發展對互連線材料的需求時,開始做了大量研究，如文獻[3,4]中的研究,研究表明使用鋁銅合金代替純鋁能解決電遷移現象。

1.2 鋁合金互連線

合金可以增大電子遷移率、增強擴散屏蔽等。文獻[5]表明，鋁互連線的電遷移問題研究的突破性進展是通過用鋁銅合金代替純鋁實現的。1970年,IBM公司的Ames等發現在純鋁中加入少量的銅能夠大大提高鋁互連線的電遷移壽命,而后經過大批人的研究發現稍微在鋁中多加1%的硅即可使鋁導線上的缺陷減至最少[6]，而在鋁中加入少量的銅，則可使電子遷移率提高數量級倍[7]。

1.3 銅互連線

集成電路金屬互連線制造工藝達到納米級后，因為超高純銅具有更佳的電阻率和抗電遷徙能力，很快高純銅就替代超高純鋁合金成為金屬互連線的主要材料[8]。銅替代鋁成為集成電路互連線的一個巨大障礙是已成熟的鋁互連工藝不適用于銅，銅不能產生易揮發的物質，難以刻蝕，而且銅在硅和二氧化硅中擴散得很快，這使襯底的介電性能嚴重減弱，用一般的刻蝕方法難以刻蝕形成互連圖形。為將銅作為集成電路互連線的材料,就需要發展出與鋁布線完全不同的工藝來解決。銅互連工藝發展采用了全新的布線工藝，目前應用最普遍的為最早由IBM提出的鑲嵌工藝[9-10]。但是，集成電路技術進入32 nm這一節點后，就算是鑲嵌銅線布線的技術，也同樣面臨著傳統的蝕刻鋁線互連所面臨的問題，互連線的最大有效電流承載密度已遠遠無法滿足需求，電遷移現象也愈發凸顯[11]，銅互連線的穩定性，阻礙了集成電路的進一步發展。

2 碳納米管互連線

在這種發展趨勢下，傳統的金屬互連線已阻礙了集成電路的發展。于是，對材料的優化成了主要的挑戰。自Kroto和Smalley在1985年發現碳納米管后[12,13]，在世界范圍內掀起了一股碳納米管熱。碳納米管具有很好的電學性能、導電性質、力學性質——極高的強度、極大的韌性和良好的熱學性能，還有特殊的磁性能、高的擴散率、高的反應活性和催化性能,以及吸收電磁波的性能。因為碳納米管擁有的這些性能，其能廣泛地用于提高復合材料應力水平、電池的電極改性、導電、電磁屏蔽等[14]。碳納米管(CNT)由于尺寸較小，能夠承受的電遷移電流密度高，且有上述優等性能，能解決納米尺度以及電遷移的難題，碳納米管成為目前互連材料的研究熱點[15]。

圖1 碳納米管的結構

碳納米管是由六角網狀的石墨卷成的，具有螺旋周期管狀結構。由石墨層卷曲而形成的封閉管狀結構，根據石墨層數的不同可分為單壁碳納米管(Single-Walled Nanotubes, SWNTs)和多壁碳納米管(Multi-Walled Nanotubes, MWNTs)。如圖1所示。單壁碳納米管由一層石墨組成，又稱富勒(Fullerenes tubes)。多壁碳納米管含有多層石墨，形狀像個同軸電纜。

目前，在各大學的物理系和IBM等公司都在制造碳納米管，成本相對來說比較高?，F階段制造碳納米管的方法包括石墨電弧法、催化裂解法(又稱CVD法)等[16]。電弧放電法是以含有催化劑(鐵系元素、稀土元素等)的石墨棒作陽極，純石墨棒作為陰極，在電弧室(充滿惰性氣體)內，通過電極間產生高溫連續電弧，使得石墨與催化劑完全氣化蒸發，在陰極上生成碳納米管。但此方法不適用于集成電路。而CVD法是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，已經成熟。該方法用于生長碳納米管是在含有碳源的氣體(或蒸汽)流反應室內，經金屬催化劑表面時分解, 并生成炭纖維導，沉積到晶片表面上。圖2是Nishant團隊用CVD法制備碳納米管的裝備[17]。

圖2 CVD法制備碳納米管的裝備

圖3 不同生長溫度下制備的碳納米管薄膜的掃描

雖然CVD法能用于集成電路制備碳納米管，但是在工藝和可靠性方面都存在很多問題。大多數高質量的碳納米管的生長溫度都超過600℃，這對于硅工藝而言是不允許的。碳納米管的生長工藝與CMOS工藝的兼容還是要大力研究的。要兩工藝兼容，必將犧牲生長溫度，由于生長溫度越低，碳管中的缺陷也就越多。而且碳納米管的生長方向、長度和直徑可控的生長也是經過長期的研究?？梢杂脕碛绊懱技{米管生長的因素很多，比如氣體[17]、溫度[18]、重力[19]。如下圖3是文獻[18]中在4種不同生長溫度(a是750℃，b是800℃，c是850℃，d是900℃)下制備的碳納米管薄膜的SEM照片。其表明通過生長溫度可以調控碳納米管薄膜形貌和浸潤性能。但是利用這些因素制備碳納米管方法的生長機理研究還不夠深入，還不具備現實意義和應用價值，還不能投入生產。

盡管碳納米管的發展很快，但是將其集成到當今的大規模集成電路中去的技術還不是很成熟，還屬于研究階段，并未投入工業生產，且雖然目前很多專業人士對碳納米管帶來的挑戰提出了各種解決方案，可是到目前為止都沒有很好的方案來徹底解決。

3 光互連

傳統的片上互連技術以及現在一直在大力研究的新型碳納米管互連的技術到一定的極限就會受到電互連物理特性的制約，但光互連就不同了。光互連的主要優勢在于低RC延時、低功耗以及不會有金屬互連線的電遷移現象。另外,光互連用于芯片互連不需物理上的新突破。光互連技術已廣泛應用于高性能計算機中的機柜間和節點間互連[20]。文獻[21]研究指出，FFT 運算規模與加速比的關系如圖4所示,運算規模與效率的關系如圖5所示,其表明在同等條件下,不論是加速比還是效率,在網孔模型中，光互連(Optical interconnection)比電互連(Electrical interconnection)各方面性能的提高都超過了50%。

圖4 網孔結構中光互連與電互連的加速比對比

圖5 在網孔結構中，光互連與電互連的效率對比

在各種光互連方案中，硅基光互連技術被認為是最有發展前途的一個方案。硅基光互連的研究具體還包括硅基納米發光材料的設計、制備；硅基發光材料的設計、制備和激射；硅基發光器件的設計、制備和發光增強；硅基光源和光波導集成耦合等[22]。具體光互連系統如圖6。光互連的研究不單單是互連線的研究，還需要材料、信號處理、光學等學科研究人員的同心協力。

圖6 硅基光互連集成系統

科研實力無比雄厚的IBM一直在鉆研集成納米光子技術，自2003年開始致力于CMOS的研究，取得了顯著進展，主要研究成果包括硅光子互連技術所需的各種光子器件的制備；2012年在光信號取代電信號進行信息傳輸方面取得重大突破。經過十多年的研發，“硅納米光子”終于利用100 nm以下工藝，在單顆硅芯片內同時整合了多種不同的光學部件和電子電路，但嚴格來說這也只是光與電的結合，光子只是部分取代了電子。光互連的實用化還需要走很長的路。

4 結束語

集成電路的發展離不開對互聯線的研究，現在互連線的研究還主要是對金屬互連線的優化，金屬互連線還是占主導地位，互連線目前的發展趨勢還是金屬互連線。但是對新的互連線材料的開發及研究是互連線研究的熱點。最近經過很多專業人士的研究，互聯線發展了新材料——碳納米管，但是由于這些進展都還處在研發階段，碳納米管互連線在制備工藝過程中的問題以及可靠性方面的問題等都沒有解決，還沒有投入工業生產中。不過由于碳納米管的優越性，還是值得作為集成電路的互聯線研究的。光互連雖然工藝技術上還存在不少問題,未來的制作成本也還無法預估，但是解決和完善這些問題是指日可待的。當光互連技術在集成電路中得到工業化應用時,集成電路必將再發展一大步。

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On interconnect materials of integrated circuits and its development

Chan Jun, Hou Qian, Lian Deliang

(College of Information Engineering,Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

Due to rapid development of integrated circuits, a better interconnect material is being required. As the result, interconnect problem has become a research focus in the integrated circuit. Especially when the characteristic size of the circuit is smaller and smaller, the effect of interconnect is one of the important factors that affect the circuit performance. In another word , interconnect materials shouldn’t be ignored. This paper is on the merits and demerits of the traditional aluminum, copper and developing carbon nanotubes that is the interconnection. And this paper also has some introduction about the new optical interconnection.

integrated circuit; interconnect; metal; carbon nanotubes; optical interconnection

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A

1674-7720(2016)05-0015-03

陳君，侯倩，廉得亮. 集成電路的互連線材料及其發展[J].微型機與應用，2016,35(5)：15-17,21.

2015-11-20)

陳君(1991-)，女，碩士，主要研究方向：集成電路工程、集成電路制造工藝。

侯倩(1989-)，女，碩士，主要研究方向：集成電路工程、集成電路制造工藝。

廉得亮(1965-)，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：等成電路工程大規模集成電路設計。