集成电路互连技术
集成电路工艺原理接触及互连原理
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各
种
延
迟
减小互连延迟的途径:
1）低电阻率金属(Cu) 2）low-k介质
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对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
(1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单
1540 2165 1326 992
TiN
50-150
2950
Ti30W70 Heavily doped poly-Si
75-200 450-10000
2200 1417
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衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻 c
金属线 接触面积A
重掺杂硅
rc
1 dJ
dV V 0
定义：零偏压附近电流密
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（1）铝的电迁移
当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量 的导电电子将与金属原子发生动量交换，使 金属原子沿电子流的方向迁移，这种现象称 为金属电迁移
电迁移会使金属原子在阳极端堆积，形成小 丘或晶须，造成电极间短路；在阴极端由于 金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路
void Hillock e
金属间介质（IMD）
钝化层（passivation）
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后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分 影响IC芯片的速度
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多层金属互 连增加了电 路功能并使 速度加快
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互
连
的
速
度
限
制
可
以
作
由全局互连造成的延迟可以表达为：
集成电路封装和可靠性Chapter2-1-芯片互连技术【半导体封装测试】
UESTC-Ning Ning1Chapter 2Chip Level Interconnection宁宁芯片互连技术集成电路封装测试与可靠性UESTC-Ning Ning2Wafer InWafer Grinding (WG 研磨)Wafer Saw (WS 切割)Die Attach (DA 黏晶)Epoxy Curing (EC 银胶烘烤)Wire Bond (WB 引线键合)Die Coating (DC 晶粒封胶/涂覆)Molding (MD 塑封)Post Mold Cure (PMC 模塑后烘烤)Dejunk/Trim (DT 去胶去纬)Solder Plating (SP 锡铅电镀)Top Mark (TM 正面印码)Forming/Singular (FS 去框/成型)Lead Scan (LS 检测)Packing (PK 包装)典型的IC 封装工艺流程集成电路封装测试与可靠性UESTC-Ning Ning3⏹电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 %⏹中德电子材料公司制作的晶棒(长度达一公尺，重量超过一百公斤)UESTC-Ning Ning4Wafer Back Grinding⏹PurposeThe wafer backgrind process reduces the thickness of the wafer produced by silicon fabrication (FAB) plant. The wash station integrated into the same machine is used to wash away debris left over from the grinding process.⏹Process Methods:1) Coarse grinding by mechanical.(粗磨)2) Fine polishing by mechanical or plasma etching. (细磨抛光)UESTC-Ning Ning5旋转及振荡轴在旋转平盘上之晶圆下压力工作台仅在指示有晶圆期间才旋转Method:The wafer is first mounted on a backgrind tape and is then loaded to the backgrind machine coarse wheel . As the coarse grinding is completed, the wafer is transferred to a fine wheel for polishing .。
tsv深宽比的定义
tsv深宽比的定义TSV深宽比的定义TSV（Through-Silicon Via）是一种用于三维集成电路中的垂直互连技术。
它通过将金属填充到硅背板中的孔洞中，实现不同层次芯片之间的电连接。
在TSV技术中，深宽比是一个重要的参数，它定义了TSV的深度和宽度之间的比值。
深宽比是指TSV的深度与宽度之间的比例关系。
在三维集成电路中，TSV的深度通常是由制程工艺决定的，而宽度则由设计要求和电流传输能力等因素决定。
深宽比的大小对于TSV的性能和可靠性都有重要影响。
深宽比的大小直接影响TSV的电阻和电容。
在TSV中，电阻是由于电流通过金属填充的孔洞而产生的。
当TSV的深度增加时，电流路径变长，电阻也会增加，从而影响信号传输的速度和功耗。
而TSV 的电容主要是由于孔洞周围的绝缘层而产生的。
当TSV的宽度增加时，绝缘层的面积增大，电容也会增加，从而影响信号传输的带宽和功耗。
深宽比的大小还影响TSV的可靠性。
在TSV中，电流通过金属填充的孔洞时会产生热量，这会导致温度升高。
当TSV的深度增加时，孔洞内部的散热效果变差，温度升高的速度也会增加，从而可能导致热失控和可靠性问题。
此外，深宽比还会影响TSV的机械强度。
当TSV的深度增加时，孔洞的纵向表面积增大，机械应力也会增加，从而可能导致结构失稳和断裂等问题。
因此，深宽比的选择需要综合考虑电性能和可靠性需求。
一般来说，较小的深宽比可以提高信号传输的速度和功耗，但可能会降低带宽和可靠性；而较大的深宽比可以提高带宽和可靠性，但可能会增加功耗和延迟。
在实际应用中，需要根据具体的设计要求和制程工艺的限制来选择合适的深宽比。
TSV深宽比是三维集成电路中的一个重要参数，它定义了TSV的深度和宽度之间的比值。
深宽比的大小影响着TSV的电阻、电容、可靠性和机械强度等性能指标。
在实际应用中，需要综合考虑电性能和可靠性需求，选择合适的深宽比。
只有通过合理的设计和制程技术，才能充分发挥TSV技术的优势，推动三维集成电路的发展。
集成电路的基本原理和工作原理
集成电路的基本原理和工作原理集成电路是指通过将多个电子元件（如晶体管、电容器、电阻器等）和互连结构（如金属导线、逻辑门等）集成到单个芯片上，形成一个完整的电路系统。
它是现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统和各种电子设备中。
本文将介绍集成电路的基本原理和工作原理。
一、集成电路的基本原理集成电路的基本原理是将多个电子元件集成到单个芯片上，并通过金属导线将这些元件互连起来，形成一个完整的电路系统。
通过集成电路的制造工艺，可以将电子元件和互连结构制造到芯片的表面上，从而实现芯片的压缩和轻量化。
常见的集成电路包括数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）、模拟集成电路（Analog Integrated Circuit，简称AIC）和混合集成电路（Mixed Integrated Circuit，简称MIC）等。
集成电路的基本原理包括以下几个关键要素：1. 材料选择：集成电路芯片的制造材料通常选择硅材料，因为硅材料具有良好的电子特性和热特性，并且易于形成晶体结构。
2. 晶圆制备：集成电路芯片的制造过程通常从硅晶圆开始。
首先，将硅材料熔化，然后通过拉伸和旋转等方法制备成硅晶圆。
3. 掩膜制备：将硅晶圆表面涂覆上光感光阻，并通过光刻机在光感光阻表面形成图案。
然后使用化学溶液将未曝光的部分去除，得到掩膜图案。
4. 传输掩膜：将掩膜图案转移到硅晶圆上，通过掩膜上沉积或蚀刻等方法，在硅晶圆表面形成金属或电子元件。
5. 互连结构制备：通过金属导线、硅氧化物和金属隔离层等材料，形成元件之间的互连结构，实现元件之间的电连接。
6. 封装测试：将芯片放置在封装材料中，通过引脚等结构与外部电路连接，然后进行测试和封装。
集成电路的基本原理通过以上几个关键步骤实现电子元件和互连结构的制备和组装，最终形成一个完整的电路系统。
二、集成电路的工作原理集成电路的工作原理是指通过控制电流和电压在电路系统中的分布和变化，从而实现电子元件的工作和电路系统的功能。
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
什么是互连
什么是互连？随着深亚微米（Deep Sub-Micron）集成工艺的发展，集成电路中广泛存在宽度仅为深亚微米量级且多层分布的金属互连线，这些互连线已不能近似为一种等电势连接，而需要考虑在电路正常工作情况下，它们之间的电磁耦合寄生效应（Parasitic Effect）。
而且，与晶体管不同，互连线的寄生效应，随着集成电路特征尺寸的缩小和工作频率的增大而日益重要。
研究表明[1]，在高速集成电路中，限制其发展的主要因素不是器件的门时延，而是互连线的寄生元件引起的时间时延、互连线之间信号的串扰和电路功耗。
与标准逻辑单元中的短线以及模块电路中的中长线不同，顶层的全局互连线长度不随工艺缩减而减小。
因此在深亚微米技术下，全局互连线的性能成为系统整体性能的主要限制因素。
全局互连线的设计和优化会对系统的整体性能，包括延时、带宽、功耗等产生直接影响,从而在深亚微米集成电路设计中，对全局互连线的极限性能的研究具有一定的理论意义。
互连线是指连接两个元器件之间的传输线。
按照互连线所在的设计层次的不同，可以将互连线分为以下几种：印刷电路版上的互连线、连接电路版的电缆线、芯片内部的互连线、芯片封装时管脚和芯片之间的互连线。
本文所讨论的均是芯片内部的互连线。
芯片内的互连线大致可以分成三种[1-4]：第一种是短线，即局部互连线。
短线主要用于逻辑门之间或者速度不是很快的器件间的连接，通常短线的长度远远小于信号波长，短线的时延主要受到耦合电容的影响，对系统时延没有显著影响一般可以忽略。
第二种是中长线，即模块间互连线。
中长线信号传输速度比短线快，电感耦合效应也变得突出，因而容易引起很高的噪声，中长线需要采用低电阻率金属和中等厚度的绝缘介质。
第三种是长线，即全局互连线。
长线对电路性能起着关键作用，长线特别需要采用低电阻率金属以减小信号线和电源线的电阻损耗，需要厚的绝缘层来增加特征阻抗，减小时延，需要较宽的线间距以减少串扰，虽然线宽和宽间距可以减小RC 时延和串扰，但同样也会影响布线密度。
集成电路设计的最新技术和趋势
集成电路设计的最新技术和趋势随着信息技术不断发展，集成电路设计也在不断更新换代。
今天，我们就来谈谈集成电路设计的最新技术和趋势。
一、三维集成电路设计三维集成电路设计是近年来的一个热门技术，其基本思想是将不同层次的电路堆叠在一起，从而提高集成度。
这种技术可以有效地利用垂直空间，减小电路面积，提高电路性能。
因此，三维集成电路设计被认为是未来电路设计的主流趋势之一。
目前，三维集成电路设计已经被广泛应用于高端芯片的制造，如服务器、智能手机等。
二、互连技术互连技术是指如何将大量的互联网设备连接起来，形成一个庞大的网络。
在集成电路中，互连技术也是至关重要的一环。
随着芯片容量的不断扩大，互连技术变得越来越复杂，需要更加高效和可靠的解决方案。
目前，高速串行通信和光通信是最流行的互连技术，它们能够提高数据传输速度，并减少功耗。
三、人工智能人工智能已经成为近年来最热门的技术之一，它在集成电路设计中的应用也越来越广泛。
人工智能能够识别物体、语音、图像等，从而实现智能控制和自主决策。
在集成电路设计中，人工智能可用于优化电路布局、减少功耗、提高性能等方面。
例如，使用深度学习技术可以实现智能预测和异常检测，从而保障电路的稳定性和可靠性。
四、功耗优化功耗优化一直是集成电路设计的重点，随着智能设备的普及，功耗优化的意义更加凸显。
为减少功耗，目前大多数芯片采用了多种技术，如功率管理单元、时钟门控技术、电压调节等。
而且，一些新兴的技术，如体感识别技术、环境感知技术等，也可以帮助实现更加智能化的功耗优化。
总之，随着信息技术的不断进步，集成电路设计也在不断更新换代。
未来的集成电路设计将更加注重性能、功耗、智能化和可靠性等方面。
相信随着技术的不断发展，集成电路将在更多领域得到广泛应用。
4第二章 互连技术FCB
2.4 倒装焊技术（FCB）2.4.1 FCB2.4.4 C42.4.5倒装焊接机简介*微组装工艺*一、FCB技术2.4.1FCB技术及特点倒装焊(FCB)是芯片与基板直接安装互连的一种方法。
在芯片连接的地方制作出突起的焊点，在后期操作中直接将芯片的焊点与基板的焊区形成连接。
WB和TAB互连法通常那是芯片面朝上安装互连、而FCB则是芯片面朝下,芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。
*微组装工艺*制作的凸点芯片既可以用于在厚膜陶瓷基板上进行FCB，又可以在薄膜陶瓷或Si基板上进行FCB，还可以在PCB上直接将芯片进行FCB。
使用FCB的基板一般有：陶瓷、Si基板、PCB环氧树脂基板。
Samples with Different DimensionsPCB 上不同尺寸倒装焊样品Flip Chip on Flexible substrate 在软质底板上倒装焊*微组装工艺*基板芯片表面互连线基板表面互连线凸点基板芯片表面互连线基板表面互连线*微组装工艺*二、发展历史1964倒装芯片出现；1969年，IBM公司C4技术（可控塌陷技术）；至今，已广泛应用于SIP,MCM,微处理器，硬盘驱动器以及RFID等领域。
*微组装工艺*三、FCB技术的优缺点优点：FCB的互连线非常短。
互连产生的杂散电容、互连电阻和互连电感均比WB和TAB小得多，从而更适合高频、高速的电子产品应用；FCB芯片安装互连占的基板面积小．因而芯片安装密度高。
此外，FCB芯片焊区可面阵布局、更适合高I／O数的LSI、VLSI芯片使用；芯片的安装、互连是同时完成的，这就大大简化了安装互连工艺，快速、省时，适于使用先进的SMT 进行工业化大批量生产。
*微组装工艺*缺点：芯片面朝下安装互连，会给工艺操作带来一定难度，焊点检查困难(只能使用红外线和X光检查)； 在芯片焊区一般要制作凸点，增加了芯片的制作工艺流程和成本；倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题也需要很好地解决等。
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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，
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。
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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。
集成电路的互连技术
2015 年 8月
1
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
2
1、集成电路互连简介
3
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。
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。
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2.2 铝互连的不足（一）：Al/Si接触中的尖楔现象
Al
Si
Al/Si接触中的 尖楔现象
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2.3 Al/Si接触的改进
Al-Si合金金属化引线
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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
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2.5 目前应用最广泛的互连技术----铜互连
IBM 6层Cu互连表面结构图
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2.6 以Cu作为互连材料的工艺流程
金属填充通孔 溅射势垒和籽晶层 淀积介质材料 CMP金属层 光刻引线沟槽图形 去掉刻蚀停止层 光刻通孔图形 刻蚀引线沟槽 去掉光刻胶
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3.5 CNT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
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刻蚀通孔 去掉光刻胶 淀积刻蚀停止层
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2.7 Cu互连存在的问题
a 尺寸太大 b 导电能力不符合发展需求
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3、下一代互连材料与互连技术
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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。