集成电路中器件互联线的研究
王锴
摘要：集成电路的互连线问题当今集成电路领域的一个研究热点,随着半导体器件和互连线尺寸的不断缩小,越来越多的关键设计指标，如性能、抗扰度等将主要取决于互连线,或受互连线的严重影响。

为了加强对于互连线技术的了解和对互连线问题的进行研究,文章讨论了互连线发展的缘由和互连线材料。

关键词：:超大规模集成电路互连线问题建模金属互连线
1引言
集成电路工业作为信息产业的基础,对国民经济和社会发展产生着日益重要的影响。

而在集成电路发展的大部分时间里，芯片上的互连线几乎总像是“二等公民”，它们只是在特殊的情形在或当进行高精度分析时才以予考虑。

随着深亚微米半导体工艺的出现，这一情形已发生了迅速的变化。

由导线引起的寄生效应所显示的尺寸缩小特性并不与如晶体管等有源器件相同，随着器件尺寸的缩小和电路速度的提高，它们常常变得非常重要。

事实上它们已经开始支配数字集成电路一些相关的特性指标，如速度、能耗和可靠性。

这一情形会由于工艺的进步而更加严重，因为后者可以经济可行地生产出更大尺寸的芯片，从而加大互连线的平均长度以及相应的寄生效应。

因此仔细深入得分析半导体工艺中互连线的作用和特性不仅是人们所希望的，也是极为重要的。

这使得互连线影响、或以互连线为中心的集成电路设计方法学和计算机辅助设计技术成为了集成电路领域的研究热点。

2 集成电路互连线发展缘由
一般认为，硅材料的加工极限是10nm 线宽。

我们都知道，从工艺水平来看，集成电路发展实现了从微米级别（0.5um，0.35um，0.18um，0.13um）到纳米级别（100nm，90nm，65nm，45nm，28nm，22nm）的跨越。

目前Intel、Samsung、TSMC等跨国跨地区企业先后进入22nm工业化量产工艺节点。

随着集成电路向超深亚微米的迈进，即制造工艺由已经可以规模量产的28nm 进一步朝22nm，18nm提升，并向10nm逼近时，摩尔定律在集成电路技术发展中的适用性开始受到挑战。

由于器件特征尺寸的进一步微缩，虽然电路的门延迟减小，但是特征尺寸的减小将导致互连引线横截面和线间距的减小。

互连线的横截面和间距的减小，将不可避免的使得互连延迟效应变得更加严重。

为了应对特征尺寸进一步缩小而带来的互连延迟的问题，产业界开始通过研发新材料、新结构、
新技术，如高K金属材料、低K介电材料、堆叠器件结构、系统和三维封装等，来克服摩尔定律的物理极限，推动集成电路技术向前发展。

目前对于互连延迟的改善，可以围绕以下三个方面进行。

第一，开发电阻率更低且可靠的材料作为互连线。

在特征尺寸为0.13um之后，Al线就已经被Cu线代替。

由于铜具有更小的电阻率、良好的抗电迁移性能以及抗应力迁移能力，用大马士革方法处理互连，功耗和成本更少，能够满足0. 13 μm 及以下尺寸的技术平台对金属互连线的要求，从而成为了目前集成电路主要使用的互连金属。

因此用Cu线作为互连线，可使互连延迟减小40%；第二，用低介电常数的互连介质来代替二氧化硅；第三，在最小的线路尺寸中增加布线的层数，来降低信号传输距离。

3 集成电路互连线材质特点
3.1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 μΩ·cm），与n型、p型硅或多晶硅的欧姆接触电阻低（可低至10-6 Ω/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。

目前集成电路的衬底基本为硅，然而铝在硅中的溶解度非常低，而硅在铝中的溶解度却非常高，由于这一物理现象，导致了集成电路淀积在硅片上的铝与硅接触时硅会溶于铝中而产生裂缝，一般铝/硅接触中的尖楔长度可以达到1 μm，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。

电迁移现象上文已经说明，随着互连线层数和互连线长度的迅速增加以及互连线宽度的减小,更容易出现电迁移现象。

当人们发现铝互连线已经不能适应互连技术发展对互连线材料的需求时,开始做了大量研究，寻找新的互连线。

研究表明使用铝铜合金代替纯铝能解决电迁移现象。

3.2铝合金互连线
合金可以增大电子迁移率、增强扩散屏蔽等。

铝互连线的电迁移问题研究的突破性进展是通过用铝铜合金代替纯铝实现的。

1970年,IBM公司的Ames等发现在纯铝中加入少量的铜能够大大提高铝互连线的电迁移寿命,而后经过大批人的研究发现稍微在铝中多加1%的硅即可使铝导线上的缺陷减至最少，而在铝中加入少量的铜，则可使电子迁移率提高数量级倍。

良好的解决了
3.3铜互连线
集成电路金属互连线制造工艺达到纳米级后，因为超高纯铜具有更佳的电阻率和抗电迁徙能力，很快高纯铜就替代超高纯铝合金成为金属互连线的主要材料。

铜替代铝成为集成电路互连线的一个巨大障碍是已
成熟的铝互连工艺不适用于铜，铜不能产生易挥发的物质，难以刻蚀，而且铜在硅和二氧化硅中扩散得很快，这使衬底的介电性能严重减弱，用一般的刻蚀方法难以刻蚀形成互连图形。

为将铜作为集成电路互连线的材料,就需要发展出与铝布线完全不同的工艺来解决。

铜互连工艺发展采用了全新的布线工艺，目前应用最普遍的为最早由IBM提出的镶嵌工艺。

但是，集成电路技术进入32 nm 这一节点后，就算是镶嵌铜线布线的技术，也同样面临着传统的蚀刻铝线互连所面临的问题，互连线的最大有效电流承载密度已远远无法满足需求，电迁移现象也愈发凸显，铜互连线的稳定性，阻碍了集成电路的进一步发展。

4 结论
集成电路的发展离不开对互联线的研究，现在互连线的研究还主要是对金属互连线的优化，金属互连线还是占主导地位，互连线目前的发展趋势还是金属互连线。

但是对新的互连线材料的开发及研究是互连线研究的热点。

最近经过很多专业人士的研究，互联线发展了新材料——碳纳米管，但是由于这些进展都还处在研发阶段，碳纳米管互连线在制备工艺过程中的问题以及可靠性方面的问题等都没有解决，还没有投入工业生产中。

不过由于碳纳米管的优越性，还是值得作为集成电路的互联线研究的。

光互连虽然工艺技术上还存在不少问题,未来的制作成本也还无法预估，但是解决和完善这些问题是指日可待的。