集成電路的互連線材料及其發(fā)展

陳 君 侯 倩 廉得亮

(深圳大學(xué)信息工程學(xué)院)

摘 要:

集成電路(Integrated Circuits)的快速發(fā)展，導(dǎo)致對(duì)互連線的材料要求更高，互連線的問(wèn)題成為了集成電路的研究熱點(diǎn)。尤其是當(dāng)電路的特征尺寸越來(lái)越小的時(shí)候，互連線引起的各種效應(yīng)是影響電路性能的重要因素。本文闡述了傳統(tǒng)金屬鋁以及合金到現(xiàn)在主流的銅以及正在發(fā)展的新型材料———碳納米管作為互連線的優(yōu)劣，并對(duì)新型光互連進(jìn)行了介紹。

0 引言

如今，集成電路(Integrated Circuits，IC)朝著高密度和低功耗方向發(fā)展，IC 中器件的特征尺寸日益減小，現(xiàn)代集成電路可以集成得非常緊湊，可將數(shù)十億晶體管和其他電子組件集成在一個(gè)面積約 1 cm 2 甚至更小的襯底上。由于特征尺寸越來(lái)越小，互連線越來(lái)越細(xì)，導(dǎo)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(yīng)越來(lái)越影響電路的性能，互連ＲC 延遲成為限制整體信號(hào)傳播延遲的重要原因。所以集成電路的互連線的發(fā)展對(duì)集成電路的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。減少 ＲC 延遲、動(dòng)態(tài)功耗以及相聲噪聲是研究集成電路互連線的新材料的動(dòng)力。

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(qiáng)度(10 5 A/cm 2 以上)，在高電流強(qiáng)度下，集成電路芯片中就容易出現(xiàn)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(fā)生宏觀遷移現(xiàn)象。電遷移使得金屬離子會(huì)在陽(yáng)極堆積成小丘，在陰極出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致金屬引線斷裂，從而使整個(gè)集成電路失效。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(dǎo)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(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(duì)于集成電路制造工藝越來(lái)越成熟，特征尺寸能做得越來(lái)越小，鋁互連線也暴露出許多致命的缺陷，尖楔現(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(xiàn)象，導(dǎo)致了集成電路淀積在硅片上的鋁與硅接觸時(shí)硅會(huì)溶于鋁中而產(chǎn)生裂縫，一般鋁/硅接觸中的尖楔長(zhǎng)度可以達(dá)到 1 μm，而集成電路中有源區(qū)的厚度一般都在納米級(jí)別。因此尖楔現(xiàn)象的存在可能使某些 PN 節(jié)失效。電遷移現(xiàn)象上文已經(jīng)說(shuō)明，隨著互連線層數(shù)和互連線長(zhǎng)度的迅速增加以及互連線寬度的減小，更容易出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)鋁互連線已經(jīng)不能適應(yīng)互連技術(shù)發(fā)展對(duì)互連線材料的需求時(shí)，開(kāi)始做了大量研究，如文獻(xiàn)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(xiàn)象。

1．2 鋁合金互連線

合金可以增大電子遷移率、增強(qiáng)擴(kuò)散屏蔽等。文獻(xiàn)表明，鋁互連線的電遷移問(wèn)題研究的突破性進(jìn)展是通過(guò)用鋁銅合金代替純鋁實(shí)現(xiàn)的。1970 年，IBM 公司的 Ames 等發(fā)現(xiàn)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(jīng)過(guò)大批人的研究發(fā)現(xiàn)稍微在鋁中多加 1%的硅即可使鋁導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在鋁中加入少量的銅，則可使電子遷移率提高數(shù)量級(jí)倍。

1．3 銅互連線

集成電路金屬互連線制造工藝達(dá)到納米級(jí)后，因?yàn)槌呒冦~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。銅替代鋁成為集成電路互連線的一個(gè)巨大障礙是已成熟的鋁互連工藝不適用于銅，銅不能產(chǎn)生易揮發(fā)的物質(zhì)，難以刻蝕，而且銅在硅和二氧化硅中擴(kuò)散得很快，這使襯底的介電性能嚴(yán)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(fā)展出與鋁布線完全不同的工藝來(lái)解決。銅互連工藝發(fā)展采用了全新的布線工藝，目前應(yīng)用最普遍的為最早由 IBM 提出的鑲嵌工藝。但是，集成電路技術(shù)進(jìn)入 32 nm 這一節(jié)點(diǎn)后，就算是鑲嵌銅線布線的技術(shù)，也同樣面臨著傳統(tǒng)的蝕刻鋁線互連所面臨的問(wèn)題，互連線的最大有效電流承載密度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足需求，電遷移現(xiàn)象也愈發(fā)凸顯，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 碳納米管互連線

在這種發(fā)展趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的金屬互連線已阻礙了集成電路的發(fā)展。于是，對(duì)材料的優(yōu)化成了主要的挑戰(zhàn)。自Kroto 和 Smalley 在 1985 年發(fā)現(xiàn)碳納米管后，在世界范圍內(nèi)掀起了一股碳納米管熱。碳納米管具有很好的電學(xué)性能、導(dǎo)電性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)———極高的強(qiáng)度、極大的韌性和良好的熱學(xué)性能，還有特殊的磁性能、高的擴(kuò)散率、高的反應(yīng)活性和催化性能，以及吸收電磁波的性能。因?yàn)樘技{米管擁有的這些性能，其能廣泛地用于提高復(fù)合材料應(yīng)力

水平、電池的電極改性、導(dǎo)電、電磁屏蔽等。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(yōu)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(diǎn)。

碳納米管是由六角網(wǎng)狀的石墨卷成的，具有螺旋周期管狀結(jié)構(gòu)。由石墨層卷曲而形成的封閉管狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)石墨層數(shù)的不同可分為單壁碳納米管(Single-Walled Nano-tubes，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(gè)同軸電纜。

目前，在各大學(xué)的物理系和 IBM等公 司 都 在 制 造碳納米管，成本相對(duì) 來(lái) 說(shuō) 比 較 高。現(xiàn)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

。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(yáng)極，純石墨棒作為陰極，在電弧室(充滿惰性氣體)內(nèi)，通過(guò)電極間產(chǎn)生高溫連續(xù)電弧，使得石墨與催化劑完全氣化蒸發(fā)，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(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來(lái)沉積多種材料的技術(shù)，已經(jīng)成熟。該方法用于生長(zhǎng)碳納米管是在含有碳源的氣體(或蒸汽)流反應(yīng)室內(nèi)，經(jīng)金屬催化劑表面時(shí)分解，并生成炭纖維導(dǎo)，沉積到晶片表面上。圖 2 是 Nishant 團(tuán)隊(duì)用 CVD 法制備碳納米管的裝備。

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(wèn)題。大多數(shù)高質(zhì)量的碳納米管的生長(zhǎng)溫度都超過(guò) 600℃，這對(duì)于硅工藝而言是不允許的。碳納米管的生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度，由于生長(zhǎng)溫度越低，碳管中的缺陷也就越多。而且碳納米管的生長(zhǎng)方向、長(zhǎng)度和直徑可控的生長(zhǎng)也是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究。可以用來(lái)影響碳納米管生長(zhǎng)的因素很多，比如氣體、溫度、重力。如下圖 3 是文獻(xiàn)中在 4 種不同生長(zhǎng)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(guò)生長(zhǎng)溫度可以調(diào)控碳納米管薄膜形貌和浸潤(rùn)性能。但是利用這些因素制備碳納米管方法的生長(zhǎng)機(jī)理研究還不夠深入，還不具備現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，還不能投入生產(chǎn)。

盡管碳納米管的發(fā)展很快，但是將其集成到當(dāng)今的大規(guī)模集成電路中去的技術(shù)還不是很成熟，還屬于研究階段，并未投入工業(yè)生產(chǎn)，且雖然目前很多專業(yè)人士對(duì)碳納米管帶來(lái)的挑戰(zhàn)提出了各種解決方案，可是到目前為止都沒(méi)有很好的方案來(lái)徹底解決。

3 光互連

傳統(tǒng)的片上互連技術(shù)以及現(xiàn)在一直在大力研究的新型碳納米管互連的技術(shù)到一定的極限就會(huì)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(yōu)勢(shì)在于低ＲC 延時(shí)、低功耗以及不會(huì)有金屬互連線的電遷移現(xiàn)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(shù)已廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)中的機(jī)柜間和節(jié)點(diǎn)間互連。文獻(xiàn)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，其表明在同等條件下，不論是加速比還是效率，在網(wǎng)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(guò)了 50%。

在各種光互連方案中，硅基光互連技術(shù)被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的一個(gè)方案。硅基光互連的研究具體還包括硅基納米發(fā)光材料的設(shè)計(jì)、制備;硅基發(fā)光材料的設(shè)計(jì)、制備和激射;發(fā)光器件的設(shè)計(jì)、制備和發(fā)光增強(qiáng);硅基光源和光波導(dǎo)集成耦合等。具體光互連系統(tǒng)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(hào)處理、光學(xué)等學(xué)科研究人員的同心協(xié)力。

科研實(shí)力無(wú)比雄厚的 IBM 一直在鉆研集成納米光子技術(shù)，自 2003 年開(kāi)始致力于 CMOS 的研究，取得了顯著進(jìn)展，主要研究成果包括硅光子互連技術(shù)所需的各種光子器件的制備;2012年在光信號(hào)取代電信號(hào)進(jìn)行信息傳輸方面取得重大突破。經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)，“硅納米光子”終于利用 100 nm 以下工藝，在單顆硅芯片內(nèi)同時(shí)整合了多種不同的光學(xué)部件和電子電路，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這也只是光與電的結(jié)合，光子只是部分取代了電子。光互連的實(shí)用化還需要走很長(zhǎng)的路。

4 結(jié)束語(yǔ)

集成電路的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)互聯(lián)線的研究，現(xiàn)在互連線的研究還主要是對(duì)金屬互連線的優(yōu)化，金屬互連線還是占主導(dǎo)地位，互連線目前的發(fā)展趨勢(shì)還是金屬互連線。但是對(duì)新的互連線材料的開(kāi)發(fā)及研究是互連線研究的熱點(diǎn)。最近經(jīng)過(guò)很多專業(yè)人士的研究，互聯(lián)線發(fā)展了新材料——碳納米管，但是由于這些進(jìn)展都還處在研發(fā)階段，碳納米管互連線在制備工藝過(guò)程中的問(wèn)題以及可靠性方面的問(wèn)題等都沒(méi)有解決，還沒(méi)有投入工業(yè)生產(chǎn)中。不過(guò)由于碳納米管的優(yōu)越性，還是值得作為集成電路的互聯(lián)線研究的。光互連雖然工藝技術(shù)上還存在不少問(wèn)題，未來(lái)的制作成本也還無(wú)法預(yù)估，但是解決和完善這些問(wèn)題是指日可待的。當(dāng)光互連技術(shù)在集成電路中得到工業(yè)化應(yīng)用時(shí)，集成電路必將再發(fā)展一大步。