陈 君 侯 倩 廉得亮
(深圳大学 信息 工程学院)
摘 要:
集成电路 (Ingrated Circuits)的极速开展，造成对互连线的资料要求更高，互连线的疑问成为了集成电路的研讨热点。尤其是当电路的特征尺寸越来越小的时刻，互连线惹起的各种效应是影响电路性能的关键要素。本文论述了传统金属铝以及合金到如今干流的铜以及正在开展的新型资料———碳纳米管作为互连线的优劣，并对新型光互连启动了引见。
0 引言
如今，集成电路(Integrated Circuits，)朝着高密度和低功耗方向开展，IC 中器件的特征尺寸日益减小，现代集成电路可以集成得十分紧凑，可将数十亿 晶体管 和其余电子组件集成在一个面积约 1 cm 2 甚至更小的衬底上。由于特征尺寸越来越小，互连线越来越细，造成互连引线横截面和线间距的减小， 电阻 、 电容 、电感惹起的寄失效应越来越影响电路的性能，互连ＲC 提前成为限度全体 信号 流传提前的关键要素。所以集成电路的互连线的开展对集成电路的开展影响深远。缩小 ＲC 提前、灵活功耗以及相声噪声是研讨集成电路互连线的新资料的动力。
1 金属互连线
集成电路金属互连引线在选材方面须要具有较小的电阻率且易于堆积和刻蚀。集成电路 芯片 中的金属连线理论要能够接受很高的 电流 强度(10 5 A/cm 2 以上)，在高电流强度下，集成电路芯片中就容易出现电迁移。由于金属离子变得生动了，少量 电子 的激烈撞击就出现微观迁移现象。电迁移使得金属离子会在阳极堆积成小丘，在阴极出现空泛，造成金属引线断裂，从而使整个集成电路失效。集成电路金属互连引线在选材方面须要具有良好的抗电迁移特性。
1．1 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，所以集成电路中最后罕用的互连金属资料是铝。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 10－6Ω/cm)，与硅和磷硅玻璃的附着性很好，易于堆积与刻蚀。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，刻蚀构成金属互连引线的图形。随着关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，铝互连线也暴显露许多致命的毛病，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，但是铝在硅中的溶解度十分低，而硅在铝中的溶解度却十分高，由于这一物理现象，造成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发生裂痕，普通铝/硅接触中的尖楔长度可以到达 1 μm，而集成电路中有源区的厚度普通都在纳米级别。因此尖楔现象的存在或许使某些 PN 节失效。电迁移现象上文曾经说明，随着互连线层数和互连线长度的迅速参与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曾经不能顺应互连技术开展对互连线资料的需求时，开局做了少量研讨，如文献中的研讨，研讨标明经常使用铝铜合金替代纯铝能处置电迁移现象。
1．2 铝合金互连线
合金可以增大电子迁移率、增强分散屏蔽等。文献标明，铝互连线的电迁移疑问研讨的打破性停顿是经过用铝铜合金替代纯铝成功的。1970 年，IBM 公司 的 Ames 等发如今纯铝中参放大批的铜能够大大提高铝互连线的电迁移寿命，然后经过大批人的研讨发现稍微在铝中多加 1%的硅即可使铝导线上的毛病减至起码，而在铝中参放大批的铜，则可使电子迁移率提高数量级倍。
1．3 铜互连线
集成电路金属互连线制造工艺到达纳米级后，由于超高纯铜具有更佳的电阻率和抗电迁移才干，很快高纯铜就替代超高纯铝合金成为金属互连线的关键资料。铜替代铝成为集成电路互连线的一个渺小阻碍是已成熟的铝互连工艺不适用于铜，铜不能发生易挥发的物质，难以刻蚀，而且铜在硅和二氧化硅中分散得很快，这使衬底的介电性能严重削弱，用普通的刻蚀方法难以刻蚀构成互连图形。为将铜作为集成电路互连线的资料，就须要开展出与铝布线齐全不同的工艺来处置。铜互连工艺开展驳回了全新的布线工艺，目前运行最普遍的为最早由 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，也雷同面临着传统的蚀刻铝线互连所面临的疑问，互连线的最大有效电流承载密度已远远不可满足需求，电迁移现象也愈发凸显，铜互连线的稳固性，阻碍了集成电路的进一步开展。
2 碳纳米管互连线
在这种开展趋向下，传统的金属互连线已阻碍了集成电路的开展。于是，对资料的优化成了关键的应战。自Kroto 和 Smalley 在 1985 年发现碳纳米管后，谢环球范畴内掀起了一股碳纳米管热。碳纳米管具有很好的电学性能、导电性质、力学性质———极高的强度、极大的韧性和良好的热学性能，还有不凡的磁性能、高的分散率、高的反响活性和催化性能，以及排汇电磁波的性能。由于碳纳米管领有的这些性能，其能宽泛地用于提高复合资料应力
水平、电池的电极改性、导电、电磁屏蔽等。碳纳米管(CNT)由于尺寸较小，能够接受的电迁移电流密度高，且有上述优等性能，能处置纳米尺度以及电迁移的难题，碳纳米管成为目前互连资料的研讨热点。
碳纳米管是由六角网状的石墨卷成的，具有螺旋周期管状结构。由石墨层卷曲而构成的封锁管状结构，依据石墨层数的不同可分为单壁碳纳米管(Single-Walled Nano-tubes，SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Nanotubes，MWNTs)。如图 1 所示。单壁碳纳米管由一层石墨组成，又称富勒(Fullerenes tubes)。多壁碳纳米管含有多层石墨，状态像个同轴电缆。
目前，在各大学的物理系和 IBM等公 司 都 在 制 造碳纳米管，老本相对 来 说 比 较 高。现阶 段 制 造 碳 纳米管 的 方 法 包 括石墨电弧法、催化裂解法(又称 CVD 法)等
。电弧放电法是以含有催化剂(铁系元素、稀土元素等)的石墨棒作阳极，纯石墨棒作为阴极，在电弧室(充溢惰性气体)内，经过电极间发生高温延续电弧，使得石墨与催化剂齐全气化蒸发，在阴极上生成碳纳米管。但此方法不适用于集成电路。而 CVD 法是半导体 工业 中运行最为宽泛的用来堆积多种资料的技术，曾经成熟。该方法用于成长碳纳米管是在含有碳源的气体(或蒸汽)流反响室内，经金属催化剂外表时合成，并生成炭纤维导，堆积到晶片外表上。图 2 是 Nishant 团队用 CVD 法制备碳纳米管的装备。
虽然 CVD 法能用于集成电路制备碳纳米管，但是在工艺和牢靠性方面都存在很多疑问。大少数高质量的碳纳米管的成长温度都超越 600℃，这关于硅工艺而言是不准许的。碳纳米管的生短工艺与 CMOS 工艺的兼容还是要鼎力研讨的。要两工艺兼容，必将就义成长温度，由于成长温度越低，碳管中的毛病也就越多。而且碳纳米管的成长方向、长度和直径可控的成长也是经过常年的研讨。可以用来影响碳纳米管成长的要素很多，比如气体、温度、重力。如下图 3 是文献中在 4 种不同成长温度(a 是 750℃，b 是 800℃，c 是 850℃，d 是 900℃)下制备的碳纳米管薄膜的 SEM 照片。其标明经过成长温度可以调控碳纳米管薄膜形貌和浸润性能。但是应用这些要素制备碳纳米管方法的成长机理研讨还不够深化，还不具有事实意义和运行价值，还不能投入消费。
虽然碳纳米管的开展很快，但是将其集成到当今的大规模集成电路中去的技术还不是很成熟，还属于研讨阶段，并未投入工业消费，且虽然目前很多专业人士对碳纳米管带来的应战提出了各种处置打算，可是到目前为止都没有很好的打算来彻底处置。
3 光互连
传统的片上互连技术以及如今不时在鼎力研讨的新型碳纳米管互连的技术到必定的极限就会遭到电互连物理特性的制约，但光互连就不同了。光互连的关键好处在于低ＲC 延时、低功耗以及不会有金属互连线的电迁移现象。另外，光互连用于芯片互连不需物理上的新打破。光互连技术已宽泛运行于高性能计算机中的机柜间和节点间互连。文献研讨指出，FFT 运算规模与减速比的相关如图 4 所示，运算规模与效率的相关如图 5 所示，其标明在等同条件下，不论是减速比还是效率，在网孔模型中，光互连(Opcal interconnection)比电互连(Electrical interconnection)各方面性能的提高都超越了 50%。
在各种光互连打算中，硅基光互连技术被以为是最有开展出路的一个打算。硅基光互连的研讨详细还包含硅基纳米发光资料的设计、制备;硅基发光资料的设计、制备和激射;发光器件的设计、制备和发光增强;硅基光源和光波导集成 耦合 等。详细光互连系统如图6。光互连的研讨不单单是互连线的研讨，还须要资料、信号处置、 光学 等学科研讨人员的心心相印。
科研实力无比雄厚的 IBM 不时在研讨集成纳米光子技术，自 2003 年开局努力于 CMOS 的研讨，取得了清楚停顿，关键研讨成绩包含硅光子互连技术所需的各种光子器件的制备;2012年在光信号取代电信号启动信息传输方面取得严重打破。经过十多年的研发，“硅纳米光子”终于应用 100 nm 以下工艺，在单颗硅芯片内同时整合了多种不同的光学部件和电子电路，但严厉来说这也只是光与电的联合，光子只是局部取代了电子。光互连的适用化还须要走很长的路。
4 完结语
集成电路的开展离不开对互联线的研讨，如今互连线的研讨还关键是对金属互连线的优化，金属互连线还是占主导位置，互连线目前的开展趋向还是金属互连线。但是对新的互连线资料的开发及研讨是互连线研讨的热点。最近经过很多专业人士的研讨，互联线开展了新资料——碳纳米管，但是由于这些停顿都还处在研发阶段，碳纳米管互连线在制备工艺环节中的疑问以及牢靠性方面的疑问等都没有处置，还没有投入工业消费中。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讨的。光互连虽然工艺技术上还存在不少疑问，未来的制形老本也还不可预估，但是处置和完善这些疑问是不可企及的。当光互连技术在集成电路中失掉工业化运行时，集成电路必将再开展一大步。