集成电路互连技术

集成电路的互连技术2015年8月目录1、集成电路互连简介2、早期和目前应用最为广泛的互连技术3、下一代互连材料与互连技术1、集成电路互连简介1.1什么是集成电路互连技术所谓的集成电路互连技术，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。1.2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1.3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。2、早期和目前应用最为广泛的互连技术2.1早期互连技术----铝互连铝互连的优点：铝在室温下的电阻率很低，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。2.2铝互连的不足（一）：Al/Si接触中的尖楔现象AlSiAl/Si接触中的尖楔现象2.3Al/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。2.4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，（2）“电子风”作用力，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。2.5改进电迁移的方法“竹状“结构的选择“竹状“结构常规结构2.5目前应用最广泛的互连技术----铜互连IBM6层Cu互连表面结构图2.6以Cu作为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2.7Cu互连存在的问题a尺寸太大b导电能力不符合发展需求3、下一代互连材料与互连技术3.1下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互连碳纳米管于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。3.2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。3.3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。3.4目前CNT的发展现状日本：1000根CNTs的Via互连技术；美国：定向生长CNT，填充SiO2并进行抛光实现了CNTs的互连；德国：20-60nm单根多壁CNT互连；法国：单根40nm多壁CNT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。3.5CNT应用于互连亟待解决的问题碳纳米管的高密度定向生长问题碳纳米管束的低温生长问题碳纳米管的横向生长问题