陈军、侯谦、连德良
（深圳大学信息工程学院，广东深圳）
摘要: 集成电路的快速发展对互连的材料提出了更高的要求，互连问题已成为集成电路的研究热点。 特别是当电路的特征尺寸越来越小时，互连引起的各种影响是影响电路性能的重要因素。 本文阐述了传统金属铝及合金相对于目前主流的铜以及正在开发的新材料——碳纳米管作为互连线的优缺点，并介绍了新型光学互连线。
0 前言
如今，集成电路（IC）正向高密度、低功耗方向发展。 IC 中器件的特征尺寸变得越来越小。 现代集成电路可以非常紧凑地集成，可以将数十亿个晶体管和其他电子元件集成在面积约1平方厘米甚至更小的基板上。 随着特征尺寸变得越来越小，互连线变得越来越细，导致互连引线横截面和线间距减小。 由电阻、电容和电感引起的寄生效应越来越影响电路性能，互连RC延迟成为限制整体信号传播延迟的重要原因。 因此，集成电路互连线的发展对集成电路的发展有着深远的影响。 降低RC延迟、动态功耗和串扰噪声是研究集成电路互连线新材料的动机[1]。
1 根金属互连线
集成电路金属互连引线在材料选择上需要具有低电阻率且易于沉积和蚀刻。 集成电路芯片中的金属连接通常需要能够承受高电流强度（105A/cm2以上）。 在高电流强度下，集成电路芯片容易发生电迁移。 当金属离子变得活跃时，由于大量电子的剧烈碰撞而发生宏观迁移。 电迁移导致金属离子在阳极上积聚成小丘，导致阴极上出现空洞，导致金属引线断裂，从而导致整个集成电路失效[2]。 集成电路金属互连引线在材料选择上需要具有良好的抗电迁移性能。
1.1 铝互连线
铝作为集成电路的互连线基本上可以满足性能要求，因此集成电路中最初常用的互连金属材料是铝。 常温下，铝具有高导电率（电阻率仅为2.65μΩ·cm），与n型、p型硅或多晶硅的欧姆接触电阻低（可低至10-6Ω/cm），与硅、磷不相容 石英玻璃具有良好的附着力，易于沉积和蚀刻。 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沉积一层铝金属层，然后使用光刻胶作为掩模进行刻蚀，形成金属互连引线的图形。 随着集成电路制造工艺越来越成熟，特征尺寸可以做得越来越小，铝互连线也暴露出许多致命的缺陷，其中锐楔现象和电迁移现象最为严重。
目前，集成电路的衬底基本上是硅。 然而，铝在硅中的溶解度很低，而硅在铝中的溶解度很高。 由于这种物理现象，集成电路硅片上沉积的铝和铝混合在一起。 当硅接触时，硅会溶解在铝中并导致裂纹。 一般铝/硅接触中尖楔的长度可以达到1μm，而集成电路中有源区的厚度一般在纳米级别。 因此，尖楔现象的存在可能会导致部分PN节点的故障。 上面已经解释了电迁移现象。 随着互连线层数和互连线长度的快速增加以及互连线宽度的减小，更容易发生电迁移现象。 当人们发现铝互连线已经不能满足互连技术发展中对互连材料的需求时，他们开始做大量的研究，例如文献[3, 4]中的研究表明，使用铝互连线-铜合金代替纯铝可以解决电迁移现象。
1.2 铝合金互连线
合金可以增加电子迁移率、增强扩散屏蔽等。文献[5]表明，通过用铝铜合金替代纯铝，在铝互连线电迁移问题的研究上取得了突破。 1970年，IBM的Ames等人发现，在纯铝中添加少量铜可以大大提高铝互连的电迁移寿命。 后来，经过大量人们的研究，他们发现在铝中多添加1%的硅，可以使铝导体更加耐用。 最大限度地减少缺陷[6]，并且在铝中添加少量铜可以将电子迁移率提高几个数量级[7]。
1.3 铜互连线
当集成电路金属互连线的制造工艺达到纳米级别后，由于超高纯铜具有更好的电阻率和抗电迁移能力，高纯铜很快将取代超高纯铝合金成为金属互连线的主要材料。 [8]。 铜取代铝作为集成电路互连线的一个巨大障碍是，成熟的铝互连工艺并不适合铜。 铜不能产生挥发性物质，难以蚀刻，而且铜极易在硅和二氧化硅中扩散。 速度快，这严重削弱了基板的介电性能，使得使用一般的蚀刻方法难以蚀刻形成互连图案。 为了使用铜作为集成电路互连线的材料，需要开发与铝布线完全不同的工艺。 铜互连技术的发展采用了一种新的布线技术，目前最常用的是IBM首先提出的镶嵌技术[9-10]。 然而，在集成电路技术进入32nm节点后，即使是镶嵌铜线布线技术也面临着与传统蚀刻铝线互连相同的问题。 互连线的最大有效载流密度还很遥远。 无法满足需求，电迁移现象日益突出[11]。 铜互连线的稳定性阻碍了集成电路的进一步发展。
2 条碳纳米管互连线
在这种发展趋势下，传统的金属互连线已经阻碍了集成电路的发展。 因此，材料的优化成为一个重大挑战。 自1985年发现碳纳米管以来[12,13]，全球范围内掀起了一股碳纳米管热潮。 碳纳米管具有优异的电性能、导电性能和机械性能——极高的强度、极大的韧性和良好的热性能，以及特殊的磁性能、高扩散性、高反应活性和催化性能以及吸收电磁波的能力。 由于碳纳米管的这些特性，它们可广泛用于提高复合材料的应力水平、电池电极改性、导电性、电磁屏蔽等[14]。 碳纳米管（CNT）由于尺寸小，可以承受高电迁移电流密度，并具有上述优异性能，可以解决纳米尺度和电迁移问题。 碳纳米管已成为当前互连材料的研究热点[15]。
碳纳米管卷成石墨六方网状，具有螺旋周期管状结构。 石墨层卷曲形成的封闭管状结构根据石墨层结构的数量可分为单壁碳纳米管（，）和多壁碳纳米管（，）。 图1 碳纳米管。 如图1所示。单壁碳纳米管由一层石墨组成，也称为富勒( )。 多壁碳纳米管含有石墨层，形状像同轴电缆。
目前，碳纳米管由各大学物理系和IBM等公司制造，成本相对较高。 目前制造碳纳米管的方法有石墨电弧法、催化裂化法（又称CVD法）等[16]。 电弧放电法采用含有催化剂（铁系元素、稀土元素等）的石墨棒作为阳极，纯石墨棒作为阴极。 在电弧室（充有惰性气体）中，电极之间产生高温连续电弧，使石墨和催化剂完全气化、蒸发，在阴极上生成碳纳米管。 但这种方法不适用于集成电路。 CVD方法是半导体行业中应用最广泛的沉积多种材料的技术，并且已经成熟。 该方法用于在含有碳源的气流（或蒸汽）流反应室中生长碳纳米管。 当它穿过金属催化剂表面时，它会分解并生成碳纤维导体，沉积在晶圆表面。 图2显示了该团队采用CVD方法制备碳纳米管的设备[17]。
图3 不同生长温度下制备的碳纳米管薄膜的扫描。 虽然CVD方法可用于制备集成电路用碳纳米管，但在工艺和可靠性方面存在很多问题。 大多数高质量碳纳米管的生长温度超过600°C，这是硅工艺所不允许的。 碳纳米管生长工艺与CMOS工艺的兼容性仍需大力研究。 为了使两种工艺兼容，必须牺牲生长温度，因为生长温度越低，碳管中的缺陷就越多。 而且，碳纳米管的可控生长方向、长度和直径也被研究了很长时间。 影响碳纳米管生长的因素有很多，例如气体[17]、温度[18]和重力[19]。 下图3为文献[18]中四种不同生长温度（a为750℃，b为800℃，c为850℃，d为900℃）制备的碳纳米管薄膜的SEM照片。 这表明碳纳米管薄膜的形貌和润湿性可以通过生长温度来控制。 但利用这些因素制备碳纳米管的方法的生长机理研究还不够深入，尚不具备实际意义和应用价值，尚不能投入生产。
尽管碳纳米管发展迅速，但将其集成到当今大规模集成电路中的技术还不是很成熟。 目前尚处于研究阶段，尚未投入工业化生产。 尽管目前许多专业人士都对碳纳米管感兴趣。 针对所带来的挑战，人们提出了各种解决方案，但迄今为止还没有好的方案能够彻底解决。
3 光互连
传统的片上互连技术和目前大力研究的新型碳纳米管互连技术都会受到电互连物理特性的一定限制，但光互连则不同。 光学互连的主要优点是低RC延迟、低功耗和金属互连线无电迁移。 此外，光互连不需要芯片互连有新的物理突破。 光互连技术已广泛应用于高性能计算机的机柜间和节点间互连[20]。 文献[21]的研究指出，FFT运算规模与加速比的关系如图4所示，运算规模与效率的关系如图5所示，这表明在相同条件下，无论是加速度比率或效率，在网格模型中，光互连 ( ) 的性能比电互连 ( ) 提高了 50% 以上。
加速比比较
在各种光互连解决方案中，硅基光互连技术被认为是最有前途的解决方案。 硅基光互连研究具体包括硅基纳米发光材料的设计与制备； 硅基发光材料的设计、制备和发射； 硅基发光器件的设计、制备及发光增强； 图5中的硅网格结构中，光互连和电互连的效率与基础光源和光波导集成耦合进行了比较[22]。 具体的光互连系统如图6所示。光互连的研究不仅仅是互连线路的研究，还需要材料、信号处理、光学等学科研究人员的共同努力。
科研能力极强的IBM一直在研究集成纳米光子学 图6 硅基光互连集成系统
技术，自2003年以来一直致力于CMOS的研究，并取得了重大进展。 主要研究成果包括硅光子互连技术所需的各类光子器件的制备； 2012年，光信号传输信息传输取得重大成果。 突破。 经过十多年的研发，“硅纳米光子学”终于采用100纳米以下的工艺，将多种不同的光学元件和电子电路集成到单个硅芯片中。 但严格来说，这只是光和电的结合。 ，光子仅部分取代电子。 光互连的实际落地还需要走很长的路。
4。结论
集成电路的发展离不开互连线的研究。 目前互连线的研究主要是金属互连线的优化。 金属互连线仍然占主导地位。 目前互连线的发展趋势仍然是金属互连。 金属丝。 然而，新型互连材料的开发和研究是互连研究的热点。 最近，经过众多专业人士的研究，开发出了一种用于互连线的新材料——碳纳米管。 然而，由于这些进展仍处于研发阶段，碳纳米管互连线的制备工艺和可靠性方面存在问题。 目前尚未解决，尚未投入工业生产。 然而，由于碳纳米管的优越性，它们作为集成电路的互连线仍然值得研究。 尽管光互连的工艺技术还存在很多问题，未来的生产成本也无法预估，但解决和改善这些问题已经指日可待。 当光互连技术在集成电路产业化应用时，集成电路的发展必将再迈一大步。
参考
［1］ R. : , , and ［J］.ECS of and ,2015,4(1):14.
[2] 张文杰，易万兵，吴进。 铝互连线的电迁移问题及超深亚微米技术的挑战[J]. 物理学报，2006（10）：54245434。
［3］ LU Y，H，SAKA M.的薄Al的研究［J］． 薄，2012，520(9)：34483452。
［4］ S, N, G. 铝丝到跟部的研究［J］., 2000, 40(8):15211525.
[5]于建树. 铝互连线电迁移可靠性研究[D]. 天津：天津大学，2010。
[6] 张北荣，辛培生，孙伟。 Al-Si(1%)互连线电迁移失效研究[J]. 华东师范大学学报：自然科学版，1994(1)：3540。
[7]陈军，毛昌辉。 铝铜互连线电迁移失效研究[J]. 稀有金属，2009（4）：530533。
