陳軍、侯謙、連德良

（深圳大學信息工程學院，廣東深圳）

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

0 前言

如今，集成電路（IC）正向高密度、低功耗方向發展。 IC 中器件的特征尺寸變得越來越小。 現代集成電路可以非常緊湊地集成，可以將數十億個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越小，互連線變得越來越細，導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越來越影響電路性能，互連RC延遲成為限制整體信號傳播延遲的重要原因。 因此，集成電路互連線的發展對集成電路的發展有著深遠的影響。 降低RC延遲、動態功耗和串擾噪聲是研究集成電路互連線新材料的動機[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度（105A/cm2以上）。 在高電流強度下，集成電路芯片容易發生電遷移。 當金屬離子變得活躍時，由于大量電子的劇烈碰撞而發生宏觀遷移。 電遷移導致金屬離子在陽極上積聚成小丘，導致陰極上出現空洞，導致金屬引線斷裂，從而導致整個集成電路失效[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。 傳統的鋁互連工藝技術中，互連引線的加工流程是首先在介質層上沉積一層鋁金屬層，然后使用光刻膠作為掩模進行刻蝕，形成金屬互連引線的圖形。 隨著集成電路制造工藝越來越成熟，特征尺寸可以做得越來越小，鋁互連線也暴露出許多致命的缺陷，其中銳楔現象和電遷移現象最為嚴重。

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。 由于這種物理現象，集成電路硅片上沉積的鋁和鋁混合在一起。 當硅接觸時，硅會溶解在鋁中并導致裂紋。 一般鋁/硅接觸中尖楔的長度可以達到1μm，而集成電路中有源區的厚度一般在納米級別。 因此，尖楔現象的存在可能會導致部分PN節點的故障。 上面已經解釋了電遷移現象。 隨著互連線層數和互連線長度的快速增加以及互連線寬度的減小，更容易發生電遷移現象。 當人們發現鋁互連線已經不能滿足互連技術發展中對互連材料的需求時，他們開始做大量的研究，例如文獻[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象。

1.2 鋁合金互連線

合金可以增加電子遷移率、增強擴散屏蔽等。文獻[5]表明，通過用鋁銅合金替代純鋁，在鋁互連線電遷移問題的研究上取得了突破。 1970年，IBM的Ames等人發現，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，經過大量人們的研究，他們發現在鋁中多添加1%的硅，可以使鋁導體更加耐用。 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數量級[7]。

1.3 銅互連線

當集成電路金屬互連線的制造工藝達到納米級別后，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巨大障礙是，成熟的鋁互連工藝并不適合銅。 銅不能產生揮發性物質，難以蝕刻，而且銅極易在硅和二氧化硅中擴散。 速度快，這嚴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，需要開發與鋁布線完全不同的工藝。 銅互連技術的發展采用了一種新的布線技術，目前最常用的是IBM首先提出的鑲嵌技術[9-10]。 然而，在集成電路技術進入32nm節點后，即使是鑲嵌銅線布線技術也面臨著與傳統蝕刻鋁線互連相同的問題。 互連線的最大有效載流密度還很遙遠。 無法滿足需求，電遷移現象日益突出[11]。 銅互連線的穩定性阻礙了集成電路的進一步發展。

2 條碳納米管互連線

在這種發展趨勢下，傳統的金屬互連線已經阻礙了集成電路的發展。 因此，材料的優化成為一個重大挑戰。 自1985年發現碳納米管以來[12,13]，全球范圍內掀起了一股碳納米管熱潮。 碳納米管具有優異的電性能、導電性能和機械性能——極高的強度、極大的韌性和良好的熱性能，以及特殊的磁性能、高擴散性、高反應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合材料的應力水平、電池電極改性、導電性、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，并具有上述優異性能，可以解決納米尺度和電遷移問題。 碳納米管已成為當前互連材料的研究熱點[15]。

碳納米管卷成石墨六方網狀，具有螺旋周期管狀結構。 石墨層卷曲形成的封閉管狀結構根據石墨層結構的數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，碳納米管由各大學物理系和IBM等公司制造，成本相對較高。 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，電極之間產生高溫連續電弧，使石墨和催化劑完全氣化、蒸發，在陰極上生成碳納米管。 但這種方法不適用于集成電路。 CVD方法是半導體行業中應用最廣泛的沉積多種材料的技術，并且已經成熟。 該方法用于在含有碳源的氣流（或蒸汽）流反應室中生長碳納米管。 當它穿過金屬催化劑表面時，它會分解并生成碳纖維導體，沉積在晶圓表面。 圖2顯示了該團隊采用CVD方法制備碳納米管的設備[17]。

圖3 不同生長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題。 大多數高質量碳納米管的生長溫度超過600°C，這是硅工藝所不允許的。 碳納米管生長工藝與CMOS工藝的兼容性仍需大力研究。 為了使兩種工藝兼容，必須犧牲生長溫度，因為生長溫度越低，碳管中的缺陷就越多。 而且，碳納米管的可控生長方向、長度和直徑也被研究了很長時間。 影響碳納米管生長的因素有很多，例如氣體[17]、溫度[18]和重力[19]。 下圖3為文獻[18]中四種不同生長溫度（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濕性可以通過生長溫度來控制。 但利用這些因素制備碳納米管的方法的生長機理研究還不夠深入，尚不具備實際意義和應用價值，尚不能投入生產。

盡管碳納米管發展迅速，但將其集成到當今大規模集成電路中的技術還不是很成熟。 目前尚處于研究階段，尚未投入工業化生產。 盡管目前許多專業人士都對碳納米管感興趣。 針對所帶來的挑戰，人們提出了各種解決方案，但迄今為止還沒有好的方案能夠徹底解決。

3 光互連

傳統的片上互連技術和目前大力研究的新型碳納米管互連技術都會受到電互連物理特性的一定限制，但光互連則不同。 光學互連的主要優點是低RC延遲、低功耗和金屬互連線無電遷移。 此外，光互連不需要芯片互連有新的物理突破。 光互連技術已廣泛應用于高性能計算機的機柜間和節點間互連[20]。 文獻[21]的研究指出，FFT運算規模與加速比的關系如圖4所示，運算規模與效率的關系如圖5所示，這表明在相同條件下，無論是加速度比率或效率，在網格模型中，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，硅基光互連技術被認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光材料的設計與制備； 硅基發光材料的設計、制備和發射； 硅基發光器件的設計、制備及發光增強； 圖5中的硅網格結構中，光互連和電互連的效率與基礎光源和光波導集成耦合進行了比較[22]。 具體的光互連系統如圖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、信號處理、光學等學科研究人員的共同努力。

科研能力極強的IBM一直在研究集成納米光子學 圖6 硅基光互連集成系統

技術，自2003年以來一直致力于CMOS的研究，并取得了重大進展。 主要研究成果包括硅光子互連技術所需的各類光子器件的制備； 2012年，光信號傳輸信息傳輸取得重大成果。 突破。 經過十多年的研發，“硅納米光子學”終于采用100納米以下的工藝，將多種不同的光學元件和電子電路集成到單個硅芯片中。 但嚴格來說，這只是光和電的結合。 ，光子僅部分取代電子。 光互連的實際落地還需要走很長的路。

4。結論

集成電路的發展離不開互連線的研究。 目前互連線的研究主要是金屬互連線的優化。 金屬互連線仍然占主導地位。 目前互連線的發展趨勢仍然是金屬互連。 金屬絲。 然而，新型互連材料的開發和研究是互連研究的熱點。 最近，經過眾多專業人士的研究，開發出了一種用于互連線的新材料——碳納米管。 然而，由于這些進展仍處于研發階段，碳納米管互連線的制備工藝和可靠性方面存在問題。 目前尚未解決，尚未投入工業生產。 然而，由于碳納米管的優越性，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還存在很多問題，未來的生產成本也無法預估，但解決和改善這些問題已經指日可待。 當光互連技術在集成電路產業化應用時，集成電路的發展必將再邁一大步。

參考

［1］ R. : , , and ［J］.ECS of and ,2015,4(1):14.

[2] 張文杰，易萬兵，吳進。 鋁互連線的電遷移問題及超深亞微米技術的挑戰[J]. 物理學報，2006（10）：54245434。

［3］ LU Y，H，SAKA M.的薄Al的研究［J］． 薄，2012，520(9)：34483452。

［4］ S, N, G. 鋁絲到跟部的研究［J］., 2000, 40(8):15211525.

[5]于建樹. 鋁互連線電遷移可靠性研究[D]. 天津：天津大學，2010。

[6] 張北榮，辛培生，孫偉。 Al-Si(1%)互連線電遷移失效研究[J]. 華東師范大學學報：自然科學版，1994(1)：3540。

[7]陳軍，毛昌輝。 鋁銅互連線電遷移失效研究[J]. 稀有金屬，2009（4）：530533。