集成电路中器件互联线的研究
集成电路互连技术
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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
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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。
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2、早期和目前应用最为广泛的 互连技术
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2.1 早期互连技术----铝互连
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。
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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。
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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 。
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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，
混合集成电路中的超宽带通信技术
混合集成电路中的超宽带通信技术超宽带（Ultra-Wideband, UWB）通信技术是一种无线通信技术，其主要特点是具有非常宽的频带和高速率的数据传输能力。
在混合集成电路中，超宽带通信技术被广泛应用于各种应用场景，如无线传感器网络、智能家居、车联网以及物联网等，为这些应用提供了更高的可靠性和性能。
混合集成电路（Hybrid Integrated Circuit）是指将不同类型的电子器件（如晶体管、二极管、电容器等）以及不同工艺制作的封装材料（如有机物、无机物）等组合在一起形成的集成电路。
超宽带通信技术在混合集成电路中的应用为电路设计人员提供了更大的灵活性和选择性。
首先，超宽带通信技术在混合集成电路中的应用为无线传感器网络提供了更高的可靠性和稳定性。
无线传感器网络用于实时监测和收集环境中的各种参数，如温度、湿度、压力等。
超宽带通信技术通过其较低的功耗和较高的传输速率，有效地解决了传感器网络中的能量消耗和数据传输延迟的问题，从而提高了传感器网络的性能。
其次，超宽带通信技术在智能家居中的应用为家庭自动化提供了更多的选择和便利。
智能家居通过将各种家庭设备和电器连接到互联网，实现了家庭设备的智能控制和监测。
超宽带通信技术可以提供更高的数据传输速率和更低的功耗，使得智能家居设备之间的通信更加灵活和高效。
此外，超宽带通信技术在车联网中的应用为汽车制造商提供了更多的互联互通和安全性的选择。
车联网是指将汽车与互联网相连接，从而实现汽车之间的信息交互和智能控制。
超宽带通信技术可以通过其高速率和低功耗的特性，实现车辆与车辆之间、车辆与基础设施之间的可靠和安全的通信，提高驾驶的安全性和便利性。
最后，超宽带通信技术在物联网中的应用为各种物联设备的连通性和数据传输提供了更大的可能性。
物联网是指通过各种传感器、设备和软件将现实世界物体和虚拟世界相连接，实现物体之间的互联互通。
超宽带通信技术可以实现高速率的数据传输和低功耗的通信，使得物联设备之间的互动更加灵活和高效。
集成电路工艺 接触与互连
金属线 接触面积A
重掺杂硅
c
1 dJ
dV V 0
定义：零偏压附近电流密
度随电压的变化率
比接触电阻 c 的单位: Wcm2 或 m2
接触电阻：
Rc
c
A
金属－Si之间， c在10-5～10-9 Wcm2 金属－金属之间， c<10-8 Wcm2
7.2 金属化
金
半
接
整流接触
微电子工艺学
Microelectronic Processing 第七章 接触与互连
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
7.1 概述
后端工艺[backend of the line technology (BEOL)]：将器件连
接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，使得金属线在电学和 物理上均被介质隔离。
7.2 金属化
如果我们以铜导线取代传统铝导 线，并采用低介电常数的介质 (k=2.6)取代二氧化硅，将可减 低多少百分比的RC时间常数？ （铝的电阻率为2.7µΩ∙cm，而 铜为1.7µΩ∙cm)。 解：
7.2 金属化
7.2 金属化
阻止电迁移的方法有 与0.5～4％铜形成合金(可以降低铝原子在晶间 的扩散系数。但同时电阻率会增加！)、以介质 将导通封闭起来、淀积时加氧。 由于铜的抗电迁移性好，铝-铜（0.5-4%）或铝 -钛（0.1-0.5%）合金结构防止电迁移，结合AlSi合金，在实际应用中人们经常使用既含有铜又 含有硅的Al-Si-Cu合金以防止合金化（即共熔） 问题和电迁移问题。
解：500℃时硅在铝中的扩散系数约 为2×10-8cm2/s，故扩散长度约为 60µm，铝与硅的密度比值约为 2.7/2.33=1.16；500℃时的S约为 0.8%。则被消耗的硅的厚度约为：
集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件
发展趋势-摩尔定律
「按比例缩小定律」（英文：Scaling down）“比例缩小”是指，在电场 强度和电流密度保持不变的前提下，如果MOS-FET的面积和电压缩小到 1/2，那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2，功耗降低为原来的1/2。 晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W)，即尺寸缩小为原来的0.7倍：
仅变得越来越小，在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革
集成电路器件发展趋势
国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）
目录
一．晶体管器件概述 二．金属-氧化物-半导体场效应晶
体管技术 三．绝缘体上晶体管技术 四．三维晶体管技术 五．其他类型晶体管器件
环栅场效应晶体管
「环栅场效应晶体管」（英文：GAAFET） 技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包 裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利 用线状或者片状（平板状）的多个源极和 漏极垂直于栅极横向放置，实现MOSFET 的基本结构和功能
栅极G
栅极G
硅
硅 (a)
纳米线
硅 (b)
纳米片
平面型 垂直型
互补场效应管
栅极G
n+
e-
n+
p-衬底 (a)
栅极G
n+
e-
n+
氧化物埋层（BOX）
p-衬底 (b)
优势：氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容，大幅降低了会影响器件 性能的漏电流；具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性，没有闩锁效应， 对外部辐射不敏感，还具有非常高的晶体管本征工作速度等；
挑战：存在一定的负面浮体效应；二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率 使它成为一个天然“热障” ，引起自加热效应；成本高昂。
集成电路的现状及其发展趋势
集成电路的现状及其发展趋势一、概述集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能的微型电子部件。
自20世纪50年代诞生以来，集成电路已经经历了从小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）到甚大规模集成电路（ULSI）的发展历程。
如今，集成电路已经成为现代电子设备中不可或缺的核心部件，广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子、工业控制等领域。
随着科技的快速发展，集成电路的设计、制造和应用技术也在不断进步。
在设计方面，随着计算机辅助设计（CAD）技术的发展，集成电路设计的复杂性和精度不断提高，使得高性能、低功耗、高可靠性的集成电路得以实现。
在制造方面，集成电路的生产线越来越自动化、智能化，纳米级加工技术、三维堆叠技术等新兴技术也在不断应用于集成电路的制造过程中。
在应用方面，集成电路正向着更高集成度、更小尺寸、更低功耗、更高性能的方向发展，以满足不断增长的市场需求。
集成电路的发展也面临着一些挑战。
随着集成电路尺寸的不断缩小，传统的制造方法已经接近物理极限，这使得集成电路的进一步发展变得更为困难。
同时，随着全球经济的不断发展和市场竞争的加剧，集成电路产业也面临着巨大的竞争压力。
探索新的制造技术、开发新的应用领域、提高产业竞争力成为集成电路产业未来的重要发展方向。
总体来说，集成电路作为现代电子技术的核心，其发展现状和趋势直接影响着整个电子产业的发展。
未来，随着技术的不断进步和市场的不断变化，集成电路产业将继续保持快速发展的势头，为全球经济和社会的发展做出更大的贡献。
1. 集成电路的定义与重要性集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是一种微型电子器件或部件，采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
半导体 第十五讲 互连
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。
以Cu作为互连材料的工艺流程
刻蚀引线沟槽 去掉刻蚀停止层 淀积刻蚀停止层 淀积介质材料 光刻通孔图形 去掉光刻胶 刻蚀通孔 溅射势垒和籽晶层 光刻引线沟槽图形 金属填充通孔 去掉光刻胶 CMP 金属层
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。
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。
• 引入铜工艺技术，可以说是半导体制造业的一场 革命。由此带来了设计、设备、工艺、材料、可 靠性以及工艺线管理等方面的巨大变化。从技术 层面上来说，涉及工艺线后段从光刻、等离子刻 蚀、铜金属化、化学机械抛光、多层介质、清洗 ，直到工艺集成的所有模块。 • 随着设计的进一步缩小，金属布线层不断增加， 随之而来的互联延迟也随之加大。
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
集成电路原理
集成电路原理集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是指将数百万个电子元器件集成在一块硅片上，通过微影技术制造出来的电子器件。
集成电路的出现，使得电子设备变得更加小型化、轻便化和高性能化。
在现代电子技术领域，集成电路已经成为了各种电子设备的核心部件，无论是计算机、手机、电视，还是汽车、医疗设备，都离不开集成电路的应用。
集成电路的原理可以分为两个方面来解释，一是从物理角度来说，集成电路是将各种电子器件（如晶体管、电阻、电容等）集成在一块硅片上，并通过金属线路将它们连接起来，从而实现各种电路功能。
二是从电路功能角度来说，集成电路是通过各种电子器件的组合和连接，实现特定的电路功能，如放大、滤波、逻辑运算等。
在集成电路的制造过程中，最核心的技术之一就是微影技术。
微影技术是指通过光刻工艺，在硅片上形成微米甚至纳米级别的电子器件和线路。
这种技术的发展，使得集成电路的器件密度和性能得到了大幅度的提升，从而推动了电子技术的快速发展。
另外，集成电路的原理还涉及到半导体材料的特性。
半导体材料是集成电路的基础材料，它具有导电性介于导体和绝缘体之间的特性。
通过在半导体材料上掺杂不同的杂质，可以形成N型和P型半导体，进而实现晶体管等器件的制造。
这些器件的组合和连接，就构成了各种不同功能的集成电路。
总的来说，集成电路原理涉及到物理、化学、电子学等多个学科的知识，是一门综合性很强的学科。
只有深入理解集成电路的原理，才能更好地应用它，推动电子技术的发展。
希望通过本文的介绍，读者能对集成电路的原理有更深入的了解，从而为相关领域的学习和研究提供一定的帮助。
深亚微米集成电路工艺中铜金属互联技术
来， 同时把部分通孔方法中未刻蚀的部分一直刻到 最下面的硬掩蔽层。除胶之后就完成了双大马士革 结构细线条加工的制造过程， 转入铜金属化工序。
用 >3<= #=6?"<@A7 生产的 BC! D/// 系列双层胶， 成功 的实现了大马士革结构微细加工， 所谓双层胶包括： （(） 含硅的薄成像层， 主要提供高分辨、 对底层 高选择比； （D） 厚的底层胶， 提供平整性、 抗反射性、 填孔 性、 抗腐蚀性。 这种双层胶工艺的特点， 在于把对光刻胶的精 确成像要求与其他工艺要求 （例如， 抗反射、 平坦化、 耐等离子刻蚀等） 分离开来， 解决了双大马士革工艺 中最棘手的微细光刻问题。双层胶工艺流程示意图 见图 ,。首先， 涂上一层厚度很厚的底部胶 （ E%； F;G ， 这层胶是一种有机材料， 具有良好的抗反 H63A@563） 、 平坦性、 耐腐蚀性， 然后是厚 射性 （ I (J 的反射率） 度很薄的成像光刻胶 （ "?@2";2 A@K63） ， 与一般光刻胶 不同之处在于， 成像胶很薄且含硅材料， 因此具有很 高的腐蚀选择比。 )+D 双大马士革结构的形成 目前主要有两大类： 一种是通孔优先 （ L"@GM"37: ， 另一种是金属槽优先 （ :36;<=GM"37: @: @: :36;<= A656A） 。 :36;<= A656A） 所谓通孔优先法， 即先在复合结构上光刻出通 孔 （ 5"@） ， 并进行等离子刻蚀， 全部通孔对光刻胶的 要求比较高， 因为一次要把通孔刻到最低部的硬掩 蔽层上， 而部分通孔 （ N@3:"@AG5"@） 的方法是先把最上 面的硬 掩 蔽 层 （ =@3H?@7O ） 和金属连线槽介质层刻 透， 但停在两层介质中间的硬掩蔽层上。通孔刻蚀、 除胶以后再进行金属槽的光刻。在完全通孔优先法 中， 通孔的底部要用有机材料保护起来， 以免在金属 槽刻蚀过程中把底部的阻挡层吃光。第二次光刻 （目的是刻出金属槽） 则在有一定形貌高度的硅片表 万方数据 面完成。在随后的等离子刻蚀中， 既把金属槽刻出
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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。