陳軍、侯謙、連德良

（深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東深圳）

摘要: 集成電路的快速發(fā)展對(duì)互連的材料提出了更高的要求，互連問(wèn)題已成為集成電路的研究熱點(diǎn)。 特別是當(dāng)電路的特征尺寸越來(lái)越小時(shí)，互連引起的各種影響是影響電路性能的重要因素。 本文闡述了傳統(tǒng)金屬鋁及合金相對(duì)于目前主流的銅以及正在開(kāi)發(fā)的新材料——碳納米管作為互連線的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了新型光學(xué)互連線。

0 前言

如今，集成電路（IC）正向高密度、低功耗方向發(fā)展。 IC 中器件的特征尺寸變得越來(lái)越小。 現(xiàn)代集成電路可以非常緊湊地集成，可以將數(shù)十億個(gè)晶體管和其他電子元件集成在面積約1平方厘米甚至更小的基板上。 隨著特征尺寸變得越來(lái)越小，互連線變得越來(lái)越細(xì)，導(dǎo)致互連引線橫截面和線間距減小。 由電阻、電容和電感引起的寄生效應(yīng)越來(lái)越影響電路性能，互連RC延遲成為限制整體信號(hào)傳播延遲的重要原因。 因此，集成電路互連線的發(fā)展對(duì)集成電路的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。 降低RC延遲、動(dòng)態(tài)功耗和串?dāng)_噪聲是研究集成電路互連線新材料的動(dòng)機(jī)[1]。

1 根金屬互連線

集成電路金屬互連引線在材料選擇上需要具有低電阻率且易于沉積和蝕刻。 集成電路芯片中的金屬連接通常需要能夠承受高電流強(qiáng)度（105A/cm2以上）。 在高電流強(qiáng)度下，集成電路芯片容易發(fā)生電遷移。 當(dāng)金屬離子變得活躍時(shí)，由于大量電子的劇烈碰撞而發(fā)生宏觀遷移。 電遷移導(dǎo)致金屬離子在陽(yáng)極上積聚成小丘，導(dǎo)致陰極上出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致金屬引線斷裂，從而導(dǎo)致整個(gè)集成電路失效[2]。 集成電路金屬互連引線在材料選擇上需要具有良好的抗電遷移性能。

1.1 鋁互連線

鋁作為集成電路的互連線基本上可以滿足性能要求，因此集成電路中最初常用的互連金屬材料是鋁。 常溫下，鋁具有高導(dǎo)電率（電阻率僅為2.65μΩ·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、磷不相容 石英玻璃具有良好的附著力，易于沉積和蝕刻。 傳統(tǒng)的鋁互連工藝技術(shù)中，互連引線的加工流程是首先在介質(zhì)層上沉積一層鋁金屬層，然后使用光刻膠作為掩模進(jìn)行刻蝕，形成金屬互連引線的圖形。 隨著集成電路制造工藝越來(lái)越成熟，特征尺寸可以做得越來(lái)越小，鋁互連線也暴露出許多致命的缺陷，其中銳楔現(xiàn)象和電遷移現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

目前，集成電路的襯底基本上是硅。 然而，鋁在硅中的溶解度很低，而硅在鋁中的溶解度很高。 由于這種物理現(xiàn)象，集成電路硅片上沉積的鋁和鋁混合在一起。 當(dāng)硅接觸時(shí)，硅會(huì)溶解在鋁中并導(dǎo)致裂紋。 一般鋁/硅接觸中尖楔的長(zhǎng)度可以達(dá)到1μm，而集成電路中有源區(qū)的厚度一般在納米級(jí)別。 因此，尖楔現(xiàn)象的存在可能會(huì)導(dǎo)致部分PN節(jié)點(diǎn)的故障。 上面已經(jīng)解釋了電遷移現(xiàn)象。 隨著互連線層數(shù)和互連線長(zhǎng)度的快速增加以及互連線寬度的減小，更容易發(fā)生電遷移現(xiàn)象。 當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)鋁互連線已經(jīng)不能滿足互連技術(shù)發(fā)展中對(duì)互連材料的需求時(shí)，他們開(kāi)始做大量的研究，例如文獻(xiàn)[3, 4]中的研究表明，使用鋁互連線-銅合金代替純鋁可以解決電遷移現(xiàn)象。

1.2 鋁合金互連線

合金可以增加電子遷移率、增強(qiáng)擴(kuò)散屏蔽等。文獻(xiàn)[5]表明，通過(guò)用鋁銅合金替代純鋁，在鋁互連線電遷移問(wèn)題的研究上取得了突破。 1970年，IBM的Ames等人發(fā)現(xiàn)，在純鋁中添加少量銅可以大大提高鋁互連的電遷移壽命。 后來(lái)，經(jīng)過(guò)大量人們的研究，他們發(fā)現(xiàn)在鋁中多添加1%的硅，可以使鋁導(dǎo)體更加耐用。 最大限度地減少缺陷[6]，并且在鋁中添加少量銅可以將電子遷移率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[7]。

1.3 銅互連線

當(dāng)集成電路金屬互連線的制造工藝達(dá)到納米級(jí)別后，由于超高純銅具有更好的電阻率和抗電遷移能力，高純銅很快將取代超高純鋁合金成為金屬互連線的主要材料。 [8]。 銅取代鋁作為集成電路互連線的一個(gè)巨大障礙是，成熟的鋁互連工藝并不適合銅。 銅不能產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，難以蝕刻，而且銅極易在硅和二氧化硅中擴(kuò)散。 速度快，這嚴(yán)重削弱了基板的介電性能，使得使用一般的蝕刻方法難以蝕刻形成互連圖案。 為了使用銅作為集成電路互連線的材料，需要開(kāi)發(fā)與鋁布線完全不同的工藝。 銅互連技術(shù)的發(fā)展采用了一種新的布線技術(shù)，目前最常用的是IBM首先提出的鑲嵌技術(shù)[9-10]。 然而，在集成電路技術(shù)進(jìn)入32nm節(jié)點(diǎn)后，即使是鑲嵌銅線布線技術(shù)也面臨著與傳統(tǒng)蝕刻鋁線互連相同的問(wèn)題。 互連線的最大有效載流密度還很遙遠(yuǎn)。 無(wú)法滿足需求，電遷移現(xiàn)象日益突出[11]。 銅互連線的穩(wěn)定性阻礙了集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。

2 條碳納米管互連線

在這種發(fā)展趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的金屬互連線已經(jīng)阻礙了集成電路的發(fā)展。 因此，材料的優(yōu)化成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)。 自1985年發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)[12,13]，全球范圍內(nèi)掀起了一股碳納米管熱潮。 碳納米管具有優(yōu)異的電性能、導(dǎo)電性能和機(jī)械性能——極高的強(qiáng)度、極大的韌性和良好的熱性能，以及特殊的磁性能、高擴(kuò)散性、高反應(yīng)活性和催化性能以及吸收電磁波的能力。 由于碳納米管的這些特性，它們可廣泛用于提高復(fù)合材料的應(yīng)力水平、電池電極改性、導(dǎo)電性、電磁屏蔽等[14]。 碳納米管（CNT）由于尺寸小，可以承受高電遷移電流密度，并具有上述優(yōu)異性能，可以解決納米尺度和電遷移問(wèn)題。 碳納米管已成為當(dāng)前互連材料的研究熱點(diǎn)[15]。

碳納米管卷成石墨六方網(wǎng)狀，具有螺旋周期管狀結(jié)構(gòu)。 石墨層卷曲形成的封閉管狀結(jié)構(gòu)根據(jù)石墨層結(jié)構(gòu)的數(shù)量可分為單壁碳納米管（，）和多壁碳納米管（，）。 圖1 碳納米管。 如圖1所示。單壁碳納米管由一層石墨組成，也稱為富勒( )。 多壁碳納米管含有石墨層，形狀像同軸電纜。

目前，碳納米管由各大學(xué)物理系和IBM等公司制造，成本相對(duì)較高。 目前制造碳納米管的方法有石墨電弧法、催化裂化法（又稱CVD法）等[16]。 電弧放電法采用含有催化劑（鐵系元素、稀土元素等）的石墨棒作為陽(yáng)極，純石墨棒作為陰極。 在電弧室（充有惰性氣體）中，電極之間產(chǎn)生高溫連續(xù)電弧，使石墨和催化劑完全氣化、蒸發(fā)，在陰極上生成碳納米管。 但這種方法不適用于集成電路。 CVD方法是半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的沉積多種材料的技術(shù)，并且已經(jīng)成熟。 該方法用于在含有碳源的氣流（或蒸汽）流反應(yīng)室中生長(zhǎng)碳納米管。 當(dāng)它穿過(guò)金屬催化劑表面時(shí)，它會(huì)分解并生成碳纖維導(dǎo)體，沉積在晶圓表面。 圖2顯示了該團(tuán)隊(duì)采用CVD方法制備碳納米管的設(shè)備[17]。

圖3 不同生長(zhǎng)溫度下制備的碳納米管薄膜的掃描。 雖然CVD方法可用于制備集成電路用碳納米管，但在工藝和可靠性方面存在很多問(wèn)題。 大多數(shù)高質(zhì)量碳納米管的生長(zhǎng)溫度超過(guò)600°C，這是硅工藝所不允許的。 碳納米管生長(zhǎng)工藝與CMOS工藝的兼容性仍需大力研究。 為了使兩種工藝兼容，必須犧牲生長(zhǎng)溫度，因?yàn)樯L(zhǎng)溫度越低，碳管中的缺陷就越多。 而且，碳納米管的可控生長(zhǎng)方向、長(zhǎng)度和直徑也被研究了很長(zhǎng)時(shí)間。 影響碳納米管生長(zhǎng)的因素有很多，例如氣體[17]、溫度[18]和重力[19]。 下圖3為文獻(xiàn)[18]中四種不同生長(zhǎng)溫度（a為750℃，b為800℃，c為850℃，d為900℃）制備的碳納米管薄膜的SEM照片。 這表明碳納米管薄膜的形貌和潤(rùn)濕性可以通過(guò)生長(zhǎng)溫度來(lái)控制。 但利用這些因素制備碳納米管的方法的生長(zhǎng)機(jī)理研究還不夠深入，尚不具備實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值，尚不能投入生產(chǎn)。

盡管碳納米管發(fā)展迅速，但將其集成到當(dāng)今大規(guī)模集成電路中的技術(shù)還不是很成熟。 目前尚處于研究階段，尚未投入工業(yè)化生產(chǎn)。 盡管目前許多專業(yè)人士都對(duì)碳納米管感興趣。 針對(duì)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，人們提出了各種解決方案，但迄今為止還沒(méi)有好的方案能夠徹底解決。

3 光互連

傳統(tǒng)的片上互連技術(shù)和目前大力研究的新型碳納米管互連技術(shù)都會(huì)受到電互連物理特性的一定限制，但光互連則不同。 光學(xué)互連的主要優(yōu)點(diǎn)是低RC延遲、低功耗和金屬互連線無(wú)電遷移。 此外，光互連不需要芯片互連有新的物理突破。 光互連技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)的機(jī)柜間和節(jié)點(diǎn)間互連[20]。 文獻(xiàn)[21]的研究指出，F(xiàn)FT運(yùn)算規(guī)模與加速比的關(guān)系如圖4所示，運(yùn)算規(guī)模與效率的關(guān)系如圖5所示，這表明在相同條件下，無(wú)論是加速度比率或效率，在網(wǎng)格模型中，光互連 ( ) 的性能比電互連 ( ) 提高了 50% 以上。

加速比比較

在各種光互連解決方案中，硅基光互連技術(shù)被認(rèn)為是最有前途的解決方案。 硅基光互連研究具體包括硅基納米發(fā)光材料的設(shè)計(jì)與制備； 硅基發(fā)光材料的設(shè)計(jì)、制備和發(fā)射； 硅基發(fā)光器件的設(shè)計(jì)、制備及發(fā)光增強(qiáng)； 圖5中的硅網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，光互連和電互連的效率與基礎(chǔ)光源和光波導(dǎo)集成耦合進(jìn)行了比較[22]。 具體的光互連系統(tǒng)如圖6所示。光互連的研究不僅僅是互連線路的研究，還需要材料、信號(hào)處理、光學(xué)等學(xué)科研究人員的共同努力。

科研能力極強(qiáng)的IBM一直在研究集成納米光子學(xué) 圖6 硅基光互連集成系統(tǒng)

技術(shù)，自2003年以來(lái)一直致力于CMOS的研究，并取得了重大進(jìn)展。 主要研究成果包括硅光子互連技術(shù)所需的各類光子器件的制備； 2012年，光信號(hào)傳輸信息傳輸取得重大成果。 突破。 經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)，“硅納米光子學(xué)”終于采用100納米以下的工藝，將多種不同的光學(xué)元件和電子電路集成到單個(gè)硅芯片中。 但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這只是光和電的結(jié)合。 ，光子僅部分取代電子。 光互連的實(shí)際落地還需要走很長(zhǎng)的路。

4。結(jié)論

集成電路的發(fā)展離不開(kāi)互連線的研究。 目前互連線的研究主要是金屬互連線的優(yōu)化。 金屬互連線仍然占主導(dǎo)地位。 目前互連線的發(fā)展趨勢(shì)仍然是金屬互連。 金屬絲。 然而，新型互連材料的開(kāi)發(fā)和研究是互連研究的熱點(diǎn)。 最近，經(jīng)過(guò)眾多專業(yè)人士的研究，開(kāi)發(fā)出了一種用于互連線的新材料——碳納米管。 然而，由于這些進(jìn)展仍處于研發(fā)階段，碳納米管互連線的制備工藝和可靠性方面存在問(wèn)題。 目前尚未解決，尚未投入工業(yè)生產(chǎn)。 然而，由于碳納米管的優(yōu)越性，它們作為集成電路的互連線仍然值得研究。 盡管光互連的工藝技術(shù)還存在很多問(wèn)題，未來(lái)的生產(chǎn)成本也無(wú)法預(yù)估，但解決和改善這些問(wèn)題已經(jīng)指日可待。 當(dāng)光互連技術(shù)在集成電路產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)，集成電路的發(fā)展必將再邁一大步。

參考

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