集成电路互连技术

February22,2024InnovationDrivesFuture集成电路互连技术早期互连技术——铝互连集成电路互连技术简介Contents目前应用最广泛的互连技术——铜互连其他互连技术——碳纳米管互连什么是集成电路互连技术集成电路互连技术，就是将同一芯片内各个独立的元器件通过一定的方式，连接成具有一定功能的电路模块的技术。对未来的集成电路芯片，互连技术已成为关键技术。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是集成电路制造中需要努力解决的一个问题。特别是当集成度增加，互连线条变窄时，这个问题更为突出。电迁移现象：一种在大电流密度作用下的质量输运现象。质量输运是沿电子流动方向进行的，结果在一个方向形成空洞，而在另一个方向则由于金属原子的堆积形成小丘。前者将使互连引线开路或断裂，而后者会造成光刻的困难和多层布线之间的短路。常用互联金属材料特性随着设计的进一步缩小，金属布线层不断增加，互联延迟也随之加大。从上述表达式可以看出，采用低电阻率的金属材料作连线，可以降低总的互联电阻，进而达到降低互联延迟的目的。R=ρl/wh，其中：

ρ：金属材料的电阻率l：金属连线的长度w：金属连线的宽度h：金属连线的厚度表1几种常用互联金属材料特性常用互联金属材料特性以铝为主的金属化互连优点：电阻低，可不加接触层、粘附层和阻挡层等，工艺简单，产品价格低廉。

缺点：抗电迁移能力差。以金为主的金属化互连优点：抗电迁移能力强；采用金丝球形热压键合，键合点特别牢固，适于特殊要求的高可靠集成电路。

缺点：粘附差，需要过渡层。以铜为主的金属化互连

优点：铜电阻率低，故集成度高、功耗低；

缺点：铜会扩散，需要加阻挡层，且铜刻蚀困难，但在双大马士革工艺中，采用CMP代替刻蚀。集成电路互连技术简介早期互连技术——铝互连Contents目前应用最广泛的互连技术——铜互连其他互连技术——碳纳米管互连早期互连技术——铝互连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。铝互连的优点铝互连的不足（一）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接触中的尖楔现象AlSiAl/Si接触中的尖楔现象尖楔现象所引发的问题：一般Al/Si接触中的尖楔长度可以达到1μm，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。铝互连的不足（一）解决尖楔现象所引发的问题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。电迁移现象金属为良导体时，静电作用力将减小，电子风作用力将起主要作用。铝互连的不足（二）对于“竹状”结构的铝引线，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，整个引线截面图类似与许多“竹节”的一条竹子，晶粒间界垂直于电流方向，所以晶粒间界的扩散不起作用，铝原子在铝薄膜中的扩散系数和在单晶体中相同，从而可以使金属互连线的MTF(MedianTimetoFailure)值提高两个量级。改进电迁移的方法“竹状”结构常规结构“竹状”结构的选择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早期互连技术——铝互连目前应用最广泛的互连技术——铜互连Contents集成电路互连技术简介其他互连技术——碳纳米管互连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。IBM利用亚0.25μm技术制备的6层Cu互连表面结构的SEM图Cu互连材料的工艺流程淀积刻蚀停止层淀积介质材料光刻引线沟槽图形刻蚀引线沟槽去掉光刻胶光刻通孔图形刻蚀通孔去掉光刻胶去掉刻蚀停止层溅射势垒和籽晶层金属填充通孔CMP金属层IC互连金属化引入铜的优点电阻率的减小：互连金属线的电阻率减小可以减少信号的延迟，增加芯片速度。功耗的减少：减小了电阻，降低了功耗。更高的集成密度：更窄的线宽，允许更高密度的电路集成，这意味着需要更少的金属层。良好的抗电迁移性能：铜不需要考虑电迁移问题。更少的工艺步骤：用大马士革方法处理铜具有减少工艺步骤20％-30%的潜力。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互连面临的挑战与传统的铝互连比较，用铜作为半导体互连主要涉及三个方面的挑战，这些挑战明显不同于铝技术，在铜应用于IC互连之前必须解决：

铜快速扩散进氧化硅和硅，一旦进入器件的有源区，将会损坏器件。应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不能容易形成图形。干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物，而这对于经济的干法刻蚀是必不可少的。低温下（＜200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层阻止铜进一步氧化。Cu互连面临的挑战铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止上下层的材料互相混合。阻挡层金属铜铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。Cu互连面临的挑战钽作为铜阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽、氮化钽和钽化硅都是阻挡层金属的待选材料，阻挡层厚度必须很薄(约75Å)，以致它不影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。铜钽Cu互连面临的挑战有很好的阻挡扩散作用；高导电率具有很低的欧姆接触电阻；在半导体和金属之间有很好的附着；抗电迁移；在很薄的并且高温下具有很好的稳定性；抗侵蚀和抗氧化。可接受的阻挡层金属的基本特征：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IC行业必须寻求新型互连材料。其他IC中常用的金属W（Tungsten）钨一般采用WF6作为反应剂，用CVD的方法制备；作为填充接触孔和通孔的钨塞（plug）；接触孔越来越小且窄，需要更强的填充能力；PVDAl：台阶覆盖差，形成空洞；CVDW：优异的台阶覆盖及填缝能力；电阻率较高（1.7uΩ•cm），只能用于局部互连和金属塞。其他IC中常用的金属Ti（Titanium）钛TiSi2作为最常用的接触材料，常采用Ti的硅化物自对准工艺；TiN能作为扩散阻挡层，有效防止铝或钨向衬底扩散，还可以作为粘附层，提高钨与SiO2的粘附能力；Ti作为接触层，能有效去除氧，避免形成铝或钨的氧化物，降低接触电阻；TiN可作为抗反射涂层（ARC），减少金属层在光刻工艺中的对光的反射。其他IC中常用的金属Co（Cobalt）钴导电性能更强、功耗更低；钴可以实现更薄的内衬层；钴晶体管触点可显著降低电阻和变异性；钴相比铜沉积过程中结晶率小、晶界少、电阻小；10纳米和7纳米节点进入钴导线时代；“钴”时代即将登场，逐渐终结“钨”和“铜”的时代；10nm节点互连的最底部两个层导入钴材料，可以达到5～10倍的电子迁移率改善，降低两倍的通路电阻。早期互连技术——铝互连其他互连技术——碳纳米管互连Contents目前应用最广泛的互连技术——铜互连集成电路互连技术简介其他互连技术——碳纳米管互连碳纳米管（CarbonNanotubes）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碳纳米管的电子平均自由程约为1.6μm（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，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。目前CNT的发展现状日本：1000根CNTs的Via互连技术；德国：20-60nm单根多壁CNT互连；法国：单根40nm多壁CNT互连，特征电阻为30KΩ；美国：定向生长CNT，填充SiO2并进行抛光实现了CNTs的互连；国内：研究集中在CNT互连模拟领域，CNT互连研究处于起步阶段。CNT生长面临的挑战而集