集成电路互连技术

本校对CNT研 碳纳米管互连线电特性的研究【分析了单 壁碳纳米管互连线的电特性。 壁碳纳米管互连线的电特性。并在此基础 上分析了多壁碳纳米管互连线的电特性。 上分析了多壁碳纳米管互连线的电特性。 建立了多壁碳纳米管的等效电路模型， 建立了多壁碳纳米管的等效电路模型，分 析了与单壁碳纳米管的不同之处 】 低温制备集成电路互连高密度碳纳米管的 研究 【在600℃-700℃之间成功生长出了高 ℃ ℃ 密度定向好的CNT】 密度定向好的 】
目前CNT的发展现状 目前 的发展现状
日本： 互连技术； 日本： 1000根CNTs的Via互连技术； 根 的 互连技术 美国：定向生长CNT，填充 美国：定向生长 ，填充SiO2并进行抛光实现 并进行抛光实现 的互连； 了CNTs的互连； 的互连 德国： 单根多壁CNT互连； 互连； 德国：20-60nm单根多壁 单根多壁 互连 法国：单根40nm多壁 多壁CNT互连，特征电阻为 互连， 法国：单根 多壁 互连 30K ； 国内：研究集中在CNT互连模拟领域， CNT互连 互连模拟领域， 国内：研究集中在 互连模拟领域 互连 研究处于起步阶段。 研究处于起步阶段。
微电子学与固体电子学 任 君
集成电路互连技术简介 早期互连技术： 早期互连技术：铝互连 目前应用最广泛的互连技术：铜互连 目前应用最广泛的互连技术： 下一代互联材料与互连技术： 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
所谓的集成电路 互连技术， 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， 通过一定的方式， 连接成具有一定 功能的电路模块 的技术。 的技术。
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。 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 原子通过sp2杂化与旁边另外 个C原子结合在一 杂化与旁边另外3个 原子结合在一 是一个 原子通过 杂化与旁边另外 起形成六边形平面组成的圆柱。 起形成六边形平面组成的圆柱。
目前应用最广泛的互连技术：铜互连 目前应用最广泛的互连技术：
金属铜的电阻率小于2.0µ ·cm， 金属铜的电阻率小于 ， 使用金属铜取代传统的金属铝， 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。 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。 铜引线更大的优势表现在可靠性上， 铜引线更大的优势表现在可靠性上， 铜的抗电迁移性能好， 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 在张应力作用下， 空隙）。 ）。在电路功耗密度不断增加、 空隙）。 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。
（1）静电作用力，方向沿 ）静电作用力， 着电场（电流）的方向。 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， 互间的动量交换，我们称之为 电子风”作用力， “电子风”作用力，方向沿着电 子流的方向。 子流的方向。
金属为良导体时，静电作用力将减小， 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。 电子风作用力将起主要作用。
Cu互连面临的挑战 互连面临的挑战
由于Via相对尺寸小，承载 相对尺寸小， 由于 相对尺寸小 的电流密度更大， 的电流密度更大，所以这 一问题在Via上更加严重。 上更加严重。 一问题在 上更加严重 所造成的直接结果就是互 连失效。 连失效。尤其是集成电路 技术进入32nm后，互连线 技术进入 后 的电流承载密度将达 107A/cm2，这将超越 线 这将超越Cu线 的导电能力10 的导电能力 6A /cm2，迫 使集成电路行业必须寻求 新型互连材料。 新型互连材料。
什么是集成电路 互连技术？ 互连技术？
集成电路对互连金属材料的要求： 集成电路对互连金属材料的要求：
具有较小的电阻率 易于沉积和刻蚀 具有良好的抗电迁移特性
电迁移现象： 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 电迁移现象是集成 用下的质量输运现象。 用下的质量输运现象。质 电路制造中需要努 量输运是沿电子流动方向 力解决的一个问题。 力解决的一个问题。 进行的， 进行的，结果在一个方向 特别是当集成度增 形成空洞，而在另一个方 形成空洞， 向则由于金属原子的堆积 加，互连线条变窄 形成小丘。 形成小丘。前者将使互连 时，这个问题更为 引线开路或断裂， 引线开路或断裂，而后者 突出。 突出。 会造成光刻的困难和多层 布线之间的短路。 布线之间的短路。
早期互连技术： 早期互连技术：铝互连
铝互连的优点： 铝互连的优点：
铝在室温下的电阻率仅为2.7µ ·cm； 铝在室温下的电阻率仅为 ； 与n+ 和p+ 硅的欧姆接触电阻可以低至 10E- 6 /cm2；与硅和磷硅玻璃的附着 性很好，易于沉积与刻蚀。 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。 金属材料。
采用新的互连金属材料
解决Al/Si接触问题最有效的方法。 接触问题最有效的方法。 解决 接触问题最有效的方法
铝互连的不足（ ）：电迁移现象 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， 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， 电位分布的谷顶的时候，它 将受到两个方向相反的作用 力：
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 的过渡金属层（ 在两层铝膜之间增加一个约 的过渡金属层 ） 善铝的电迁移。这种方法可以使MTF值提高 个量级，但工艺 值提高2-3个量级 善铝的电迁移。这种方法可以使 值提高 个量级， 比较复杂。 比较复杂。
采用新的互连金属材料
下一代互联材料与互连技术： 下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互连
碳纳米管（ 碳纳米管（Carbon Nanotubes）于1991年 ） 年 发现以来, 发现以来 就一直是纳米 科学领域的研究热点。 科学领域的研究热点。 由于其超高电流密度承载 能力的特性（ 能力的特性（碳纳米管上 可以通过高达10 可以通过高达 10A/cm2 ），引起了集成电 的电流 ），引起了集成电 路器件制造领域专家的关 注。 碳纳米管互连的研究目前 主要都集中在Via上。 主要都集中在 上
“竹状“结构 竹状“ 竹状
常规结构
Al-Cu合金和 合金和Al-Si-Cu合金 合金和 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 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 变为 （ ） （ ）合金， 界的封凝可以降低铝原子在铝晶粒间界的扩散系数， 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 值提高一个量级。 使MTF值提高一个量级。 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 合金将使引线的电阻率增加。 但是 合金将使引线的电阻率增加 氯气的腐蚀。 氯气的腐蚀。
改进电迁移的方法
“竹状“结构的选择 竹状“ 竹状
对于“竹状“结构的铝引线， 对于“竹状“结构的铝引线， 与常规引线不同， 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， 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” 整个引线截面图类似与许多” 竹节“的一条竹子， 竹节“的一条竹子，晶粒间界 垂直于电流方向， 垂直于电流方向，所以晶粒间 界的扩散不起作用， 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。 体中类同。从而可以使金属互 连线的MTF（Median Time to 连线的 （ Failure）值提高两个量级。 ）值提高两个量级。
铝-掺杂多晶硅双层金属化结构 掺杂多晶硅双层金属化结构
掺杂多晶硅主要起隔离作用。 掺杂多晶硅主要起隔离作用。
铝-阻挡层结构 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， 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。 尖楔问题。 限制 尖楔问题。一般将这层金属称为阻挡层。
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， 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， 决定电子的密度，即电流密度，这就是电子的扩散输运模 若一个导体的长度小于载流子的平均自由程， 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， 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。 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 的电子平 的电子平均自由程约为 （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， ），如果碳纳米管长度小于这个值 如果碳纳米管长度小于这个值， 均自由程约为 那么电子在碳纳米管中传输就可能为弹道输运， 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 。
以Cu作为互连材料的工艺流程 作为互连材料的工艺流程
刻蚀引线沟槽 去掉刻蚀停止层 淀积刻蚀停止层 光刻通孔图形 淀积介质材料 去掉光刻胶 刻蚀通孔 光刻引线沟槽图形 金属填充通孔 去掉光刻胶 CMP金属层 金属层 溅射势垒和籽晶层
Cu互连面临的挑战 互连面临的挑战
目前IC芯片内的互连线 目前 芯片内的互连线 主要是铜材料， 主要是铜材料，与原来 的铝互连线相比， 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， 有了很大的改进。但是， 随着芯片内部器件密度 越来越大， 越来越大，要求互连线 的线宽越来越小， 的线宽越来越小，铜互 连的主导地位也面临着 严峻的考验。 严峻的考验。当芯片发 展到一定尺寸， 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。 遇到一系列问题。
Al
Si
Al/Si接 接 触中的 尖楔现 象
Al/Si接触的改进 接触的改进
Al-Si合金金属化引线 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 合金， 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 合金 免硅向铝中扩散，从而杜绝尖楔现象。 免硅向铝中扩散，从而杜绝尖楔现象。
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 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。 因为在很多方面 的性质与铝不同。所以不能用 的性质与铝不同 传统的以铝作为互连材料的布线工艺。对以Cu作 传统的以铝作为互连材料的布线工艺。对以 作 为互连的工艺来说， 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 用的技术方案是所谓的 （ 工艺。 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 料淀积的同时，也对该层与下层之间的 进行 填充， 填充，而CMP平整化工艺只对导电金属层材料进 平整化工艺只对导电金属层材料进 因此，与传统的互连工艺相比， 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， 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。 工艺技术所带来的另一优点。
铝互连的不足（ ）： 铝互连的不足（一）：Al/Si接触中的尖楔现象 接触中的尖楔现象
Al/Si接触时，由于Al 接触时，由于 接触时 在Si中的溶解度非常 中的溶解度非常 低，而Si在Al中的溶 在 中的溶 尖楔现象所引发的问题： 尖楔现象所引发的问题： 解度却非常高。 解度却非常高。由于 一般Al/Si接触 一般 这一物理现象，导致 这一物理现象，接触 了集成电路Al/Si接触 了集成电路 接触 中的尖楔长度可以达到 1µm，而集成电路中有 ， 中一个重要的问题， 中一个重要的问题， 那就是Al的尖楔问题 的尖楔问题。 那就是 的尖楔问题。 源区的厚度一般都在纳 米级别。 米级别。因此尖楔现象 的存在可能使某些PN 的存在可能使某些 节失效。 节失效。