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集成电路互连技术简介 早期互连技术：铝互连 目前应用最广泛的互连技术：铜互连 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 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 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。 Al/Si接触的改进 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 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。 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。 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。 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 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。 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。 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