集成电路互连技术.ppt

微电子学与固体电子学任 君Ø集成电路互连技术简介Ø早期互连技术：铝互连Ø目前应用最广泛的互连技术：铜互连Ø下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互连集成电路互连技术简介什么是集成电路 互连技术？所谓的集成电路 互连技术，就是 将同一芯片内各 个独立的元器件 通过一定的方式 ，连接成具有一 定功能的电路模 块的技术集成电路对互连金属材料的要求：p具有较小的电阻率p易于沉积和刻蚀p具有良好的抗电迁移特性电迁移现象：金属化引线中的电迁移现 象是一种在大电流密度作 用下的质量输运现象质 量输运是沿电子流动方向 进行的，结果在一个方向 形成空洞，而在另一个方 向则由于金属原子的堆积 形成小丘前者将使互连 引线开路或断裂，而后者 会造成光刻的困难和多层 布线之间的短路电迁移现象是集成 电路制造中需要努 力解决的一个问题 特别是当集成度 增加，互连线条变 窄时，这个问题更 为突出早期互连技术：铝互连铝互连的优点：铝在室温下的电阻率仅为2.7μΩ·cm； 与n+和p+ 硅的欧姆接触电阻可以低至 10E- 6Ω/cm2；与硅和磷硅玻璃的附着 性很好，易于沉积与刻蚀由于上述优 点，铝成为集成电路中最早使用的互连 金属材料。

铝互连的不足（一）：Al/Si接触中的尖楔现象Al/Si接触时，由于Al 在Si中的溶解度非常 低，而Si在Al中的溶 解度却非常高由于 这一物理现象，导致 了集成电路Al/Si接触 中一个重要的问题， 那就是Al的尖楔问题 AlSiAl/Si接 触中的 尖楔现 象尖楔现象所引发的问题 ：一般Al/Si接触 中的尖楔长度可以达到 1μm，而集成电路中有 源区的厚度一般都在纳 米级别因此尖楔现象 的存在可能使某些PN 节失效Al/Si接触的改进l Al-Si合金金属化引线 在铝中加入硅饱和溶解度所需要的足量硅，形成Al-Si合金，避 免硅向铝中扩散，从而杜绝尖楔现象 l 铝-掺杂多晶硅双层金属化结构掺杂多晶硅主要起隔离作用 l 铝-阻挡层结构在铝与硅之间淀积一薄层金属，阻止铝与硅之间的作用，从而 限制Al尖楔问题一般将这层金属称为阻挡层 l 采用新的互连金属材料解决Al/Si接触问题最有效的方法铝互连的不足（二）：电迁移现象电迁移现象的本质是导体原 子与通过该导体电子流之间 存在相互作用，当一个铝金 属粒子被激发处于晶体点阵 电位分布的谷顶的时候，它 将受到两个方向相反的作用 力： （1）静电作用力，方向沿 着电场（电流）的方向。

（2）由于导电电子与金属 原（离）子之间的碰撞引起的相 互间的动量交换，我们称之为“电 子风”作用力，方向沿着电子流的 方向金属为良导体时，静电作用力将减小 ，电子风作用力将起主要作用改进电迁移的方法l “竹状“结构的选择对于“竹状“结构的铝引线，与 常规引线不同，组成多晶体的 晶粒从下而上贯穿引线截面， 整个引线截面图类似与许多” 竹节“的一条竹子，晶粒间界 垂直于电流方向，所以晶粒间 界的扩散不起作用，铝原子在 铝薄膜中的扩散系数和在单晶 体中类同从而可以使金属互 连线的MTF（Median Time to Failure）值提高两个量级竹状“结构常规结构l Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金在铝中附加合金成分也可以改进铝电迁移将金属化材料由Al 变为Al-Si（1%-2%）-Cu（4%）合金，这些杂质在铝的晶粒间 界的封凝可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数，从而可以 使MTF值提高一个量级 但是Al-Si-Cu合金将使引线的电阻率增加且不易刻蚀并易受 氯气的腐蚀 l 三层夹心结构 在两层铝膜之间增加一个约50nm的过渡金属层（如Ti）可以改 善铝的电迁移这种方法可以使MTF值提高2-3个量级，但工艺 比较复杂。

l 采用新的互连金属材料目前应用最广泛的互连技术：铜互连p 金属铜的电阻率小于2.0μΩ·cm， 使用金属铜取代传统的金属铝，可 以极大地降低互连线的电阻较低 的电阻率可以减小引线的宽度和厚 度，从而减小分布电容，并能提高 集成电路的密度 p 铜引线更大的优势表现在可靠性上 ，铜的抗电迁移性能好，没有应力 迁移（在张应力作用下，细线内形 成空隙）在电路功耗密度不断增 加、电迁移现象更加严重的情况下 ，铜取代铝作为互连材料，其重要 性更为显著IBM利用亚0.25μm技术制备的6层 Cu互连表面结构的SEM图以Cu作为互连材料的工艺流程因为在很多方面Cu的性质与铝不同所以不能用 传统的以铝作为互连材料的布线工艺对以Cu作 为互连的工艺来说，目前被人们看好并被普遍采 用的技术方案是所谓的Daul Damascene（双镶 嵌）工艺其主要特点是对任何一层进行互连材 料淀积的同时，也对该层与下层之间的Via进行 填充，而CMP平整化工艺只对导电金属层材料进 行，因此，与传统的互连工艺相比，工艺步骤得 到简化，相应的工艺成本得到降低，这是铜互连 工艺技术所带来的另一优点以Cu作为互连材料的工艺流程淀积刻蚀停止层淀积介质材料光刻引线沟槽图形刻蚀引线沟槽去掉光刻胶光刻通孔图形刻蚀通孔去掉光刻胶去掉刻蚀停止层溅射势垒和籽晶层金属填充通孔CMP金属层Cu互连面临的挑战目前IC芯片内的互连线 主要是铜材料，与原来 的铝互连线相比，铜在 电导率和电流密度方面 有了很大的改进。

但是 ，随着芯片内部器件密 度越来越大，要求互连 线的线宽越来越小，铜 互连的主导地位也面临 着严峻的考验当芯片 发展到一定尺寸，在芯 片内以铜作为互连线就 会遇到一系列问题Cu互连面临的挑战由于Via相对尺寸小，承载 的电流密度更大，所以这 一问题在Via上更加严重 所造成的直接结果就是互 连失效尤其是集成电路 技术进入32nm后，互连线 的电流承载密度将达 107A/cm2，这将超越Cu线 的导电能力106A /cm2，迫 使集成电路行业必须寻求 新型互连材料下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互 连p碳纳米管（Carbon Nanotubes）于1991年 发现以来, 就一直是纳米 科学领域的研究热点 p由于其超高电流密度承载 能力的特性（碳纳米管上 可以通过高达1010A/cm2 的电流 ），引起了集成电 路器件制造领域专家的关 注 p 碳纳米管互连的研究目前 主要都集中在Via上碳纳米管的结构碳纳米管是由单层或多层石墨片按一定形式卷曲形成的中 空的无缝圆柱结构，是一种石墨晶体碳纳米管的每层都 是一个C原子通过sp2杂化与旁边另外3个C原子结合在一 起形成六边形平面组成的圆柱 碳纳米管的导电机制在导体中，电子在电场的作用下进行扩散运动，电场强度 决定电子的密度，即电流密度，这就是电子的扩散输运模 式。

若一个导体的长度小于载流子的平均自由程，那么载 流子在输运的时候就有可能直接通过导体，而不会受到散 射的影响，载流子的这种传输就叫做弹道输运碳纳米管 的电子平均自由程约为1.6μm（室温下金属Cu的电子平均 自由程约为45nm ），如果碳纳米管长度小于这个值，那 么电子在碳纳米管中传输就可能为弹道输运，此时碳纳米 管的电阻跟管的长度无关 目前CNT的发展现状p日本： 1000根CNTs的Via互连技术； p美国：定向生长CNT，填充SiO2并进行抛光实现 了CNTs的互连； p德国：20-60nm单根多壁CNT互连； p法国：单根40nm多壁CNT互连，特征电阻为 30KΩ； p国内：研究集中在CNT互连模拟领域， CNT互连 研究处于起步阶段本校对CNT研究现状u碳纳纳米管互连线电连线电 特性的研究【分析了单单 壁碳纳纳米管互连线连线 的电电特性并在此基础础 上分析了多壁碳纳纳米管互连线连线 的电电特性 建立了多壁碳纳纳米管的等效电电路模型，分 析了与单单壁碳纳纳米管的不同之处处 】 u低温制备备集成电电路互连连高密度碳纳纳米管的 研究 【在600℃-700℃之间间成功生长长出了高 密度定向好的CNT】本校在CNT生长方面的成就以Fe作为催化剂生长的CNT700℃制得的CNT低温生长面临的挑战图图中所示为为450摄摄氏度制得 的CNT【特点：长长度比较较短 ，管径较较粗，密度较较小，经经 分析得知，缺陷密度很高， 不能应应用于集成电电路互连连】 。

而集成电电路工艺艺中的最高 温度是有限制的，温度超过过 450℃，就有可能破坏其内部 已经经形成的电电路结结构，造成 电电路失败败或失效所以，低 温下碳纳纳米管生长长的研究， 是碳纳纳米管应应用于集成电电路 互连线连线 中非常关键键的一部分 CNT应用于互连亟待解决的问题碳纳米管的高密度定向生长问题碳纳米管束的低温生长问题碳纳米管的横向生长问题。