集成电路的互连线材料及其发展

０ 引 言 如 今 ，集 成 电 路 （Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＩＣ）朝 着 高 密 度
和低 功 耗 方 向 发展 ，Ｉｃ中器 件 的 特 征 尺 寸 日益 减 小 ，现 代 集 成 电路 可 以集 成 得 非 常 紧凑 ，可 将 数 十 亿 晶体 管 和其 他 电子 组 件 集 成 在 一 个 面 积 约 １ ａｍ 甚 至 更 小 的 衬 底 上 。 由于 特 征 尺寸 越来 越 小 ，互 连 线 越 来 越 细 ，导 致 互 连 引 线 横 截 面 和线 间距 的 减 小 ，电 阻 、电 容 、电 感 引 起 的 寄 生 效 应 越 来 越 影 响 电路 的 性 能 ，互 连 ＲＣ延 迟 成 为 限 制 整 体 信 号 传 播 延 迟 的 重要 原 因 。所 以 集 成 电 路 的 互 连 线 的 发 展 对 集 成 电路 的 发展 影 响 深 远 。减 少 ＲＣ延 迟 、动 态 功 耗 以 及 相 声 噪声 是 研究 集 成 电路 互 连线 的新 材 料 的 动 力 … 。 １ 金 属 互 连 线
Ｏｎ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
Ｃｈａｎ Ｊｕｎ，Ｈｏｕ Ｑｉａｎ，Ｌｉａｎ Ｄｅｌｉａｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０６０，Ｃｈｉｎａ）
，
ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ．Ｉｎ ａｎｏｔｈｅｒ ｗｏｒｄ ，ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｈｏｕｌｄｎ’ｔ ｈｅ 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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ；ｍｅｔａｌ；ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ；ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ａ ｂｅｔｔｅｒ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｍ ａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｄ． Ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ，ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｈａｓ ｂｅｃｏｍ ｅ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ
Ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ ｒｅｖｉｅｗ
集成 电路 的互连线材料及其发展
Βιβλιοθήκη Baidu
陈 君 ，侯 倩 ，廉 得 亮
（深 圳 大 学 信 息 工 程 学 院 ，广 东 深 圳 ５１８０６０）
摘 要 ：集 成 电路 （Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）的 快 速 发 展 ，导 致 对 互 连 线 的 材 料 要 求 更 高 ，互 连 线 的 问题 成 为 了 集 成 电路 的 研 究 热 点 。
１．１ 铝 互 连 线 铝 基 本 上 可 以满 足 作 为 集 成 电路 互 连 线 性 能 的 要 求 ，
所 以集 成 电路 中最 初 常 用 的互 连 金 属 材 料 是 铝 。 在 室 温 下 ，铝 的 导 电率 高 （电 阻 率 仅 为 ２．６５ Ｑ ·ｃｍ），与 ｎ型 、Ｐ 型 硅 或 多 晶 硅 的 欧 姆 接 触 电阻 低 （可 低 至 １０ ｎ／ｃｍ），与 硅 和 磷 硅 玻 璃 的 附 着 性 很 好 ，易 于 沉 积 与 刻 蚀 。在 传 统 的 铝 互 连 工 艺 技 术 中 ，互 连 引 线 的 加 工 流 程 是 首 先 在 介 质 层 上 淀 积 金 属 层 铝 ，然 后 以光 刻 胶 作 掩 膜 ，刻 蚀 形 成 金 属 互 连 引 线 的 图形 。随 着 对 于 集 成 电路 制 造 工 艺 越 来 越 成 熟 ， 特 征 尺 寸 能 做 得 越 来 越 小 ，铝 互 连 线 也 暴 露 出许 多 致 命 的 缺 陷 ，尖 楔 现 象 和 电迁 移 现 象 最 为 严 重 。
集 成 电路 金 属互 连 引 线 在 选 材 方 面 需 要 具 有 较 小 的 电 阻率 且 易 于沉 积 和 刻 蚀 。 集 成 电 路 芯 片 中 的 金 属 连 线 通 常要 能够 承 受 很 高 的 电流 强 度 （１０ Ａ／ｃｍ 以 上 ），在 高 电 流强 度 下 ，集成 电 路 芯 片 中 就容 易 出 现 电 迁移 。 由 于 金 属 离 子 变得 活 跃 了 ，大 量 电 子 的 猛 烈 撞 击 就 发 生 宏 观 迁 移 现 象 。 电迁 移使 得 金 属 离 子会 在 阳极 堆 积成 小 丘 ，在 阴 极 出现 空洞 ，导致 金 属 引 线 断 裂 ，从 而 使 整 个 集 成 电路 失 效 。集 成 电 路金 属 互 连 引 线 在 选 材 方 面 需 要 具 有 良好 的抗 电迁 移 特 性 。
关 键 词 ：集 成 电路 ；互 连 线 ；金 属 ；碳 纳 米 管 ；光 互 连
中 图 分 类 号 ：ＴＮ４
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１６７４—７７２０（２０１６）０５－００１５—０３
引 用格式 ：陈君 ，侯倩 ，廉 得亮 ．集 成 电路 的互 连线 材料及 其发 展 ［Ｊ］．微型机 与应 用 ，２０１６，３５（５）：１５．１７，２１．
尤 其 是 当 电路 的 特 征 尺 寸越 来越 小 的 时 候 ，互 连 线 引 起 的 各 种 效 应 是 影 响 电路 性 能 的 重 要 因 素 。 本 文 阐 述 了传 统 金 属 铝 以及
合金 到现 在主 流 的铜 以及 正在发 展 的新 型材 料—— 碳 纳米 管作 为互连 线 的优 劣 。并 对新 型光 互连进 行 了介绍 。