摘 要：集成电路（IC）的快速发展对ULSI布线系统提出了更高的要求。本文通过对ULSI互连布线系统的分析，在介绍了ULSI新型布线系统的同时，尝试预测互连技术的趋势走向，同时展望Low-K介质与Cu互连技术在新型布线系统中的应用前景。
关键词：ULSI Low-K介质 Cu互连
中图分类号：TN47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（c）-0119-02
如今，半导体工业飞速发展，人们对于电子产品的功能和体积也提出了进一步的要求，因而，提高集成电路的集成度、应用新式材料和新型布线系统以缩小产品体积、提高产品稳定性势在必行。根据Moore定律，IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。日益减小的导线宽度和间距与日益提升的晶体管密度促使越来越多的人把目光投向了低介电常数材料在ULSI中的应用。另一方面，金属铝（Al）是芯片中电路互连导线的主要材料，然而，由表1可知，金属铜（Cu）的电阻率比金属铝（Al）低40%左右，且应用Al会产生更明显的互联寄生效应。因而应用金属铜（Cu）代替金属铝（Al）作为互连导线主要材料就成为集成电路工艺发展的必然方向[1]。（如表1）
1 低介电常数材料（Low-K）
一直以来，有着极好热稳定性、抗湿性的二氧化硅（SiO2）是金属互连线路间使用的主要绝缘材料。如今，低介电常数材料（Low-K）因其优良特性，逐步在IC产业被推广应用。
Low-K材料基本可以分为无机聚合物与有机聚合物这两大类，常见Low-K材料有：纳米多孔SiO2、SiOF氟硅玻璃（FSG）、SiOC碳掺杂的氧化硅（Black Diamond）、SiC：N氮掺杂的碳化硅HSQ（Hydrogen Silsesquioxane）、空气隙。Low-K材料制备及其介电常数值见表2。
现阶段的研究认为，通过降低材料的自身极性与增加材料中的空隙密度是主要的两种降低材料介电常数的方法。首先，从降低材料自身极性的方法来看，包括降低材料中电子极化率（electronic polarizability），离子极化率（ionic polarizability）以及分子极化率（dioplar polarizability）等方法[2]。
此外，由Debye方程：（式中为材料介电常数，为真空介电常数，与分别为电子极化和分子形变极化，N为分子密度），不难看出，可以通过增加材料中的空隙密度从而达到降低材料的分子密度，这就是降低介电常数的第二种方法。
针对上文所述的第一种方法中，在SiO2中掺杂F元素制成SiOF（亦即FSG，见表2）的方法在0.18μm技术工艺中得到了广泛的应用。而且，人们发现，通过在SiO2中掺杂C元素能够在降低材料的介电常数上获得更好的效果。其原理是：利用了材料中形成，以Si-C和C-C键为基础的低极性网络结构，达到了降低材料介电常数的效果。基于此项的研究，诸如无定形碳薄膜的研究，已可以将材料的介电常数降低到3.0或更低[3]。
2 互连线材料——铜（Cu）
随着集成电路（IC）的发展，电路特征尺寸不断缩小，芯片内部连线密度不断提高，金属布线层数急速增加（见图3），随之而来的是器件门延迟的相对缩小和互连延迟的相对增加，增加的互连线电阻R和寄生电容C使互连线的时间常数RC大幅度的提高（见图4）。互连中的电阻（R）和电容（C）所产生的寄生效应（Parasitic effects）越来越明显。
在深亚微米（0.25μm及其以下）工艺下，互连延迟已经超过门延迟成为制约各项性能的主要瓶颈[4]。由于互连寄生效应，电路的性能将受到严重的影响，如功耗增加、信号失真、连线间以及层间的串扰噪音（crosstalk noise）等。因而寻找并采用低阻率金属以代替金属铝便成为集成工艺发展的必然方向，此举通过减小互连线串联电阻，可达到有效减少互连线RC延迟的目的。
Cu是目前采用最广泛的互连材料，它有Al所不能比拟的优良性质。在抗电迁移率、熔点、热功率等方面，Cu比其他金属有更好的综合特性。更重要的是Cu的电阻率仅为Al的60%（见表1），这样能有效地降低时延。
然而，Cu互连线的引入也带了许多新的问题。
首先，其带来了许多新的可靠性问题，原因有：（1）新技术的被迫引用。Cu互连工艺的发展道路并不平坦，光刻和污染的问题使得Cu互连的应用进展缓慢[5]。为了防止和解决Cu的污染和难以刻蚀的问题，Cu互连关键工艺中需要引入阻挡层、化学机械抛光（CMP）平坦化、专门的通孔技术与通孔材料，以及残余杂质的清洁等工艺。（2）Al（Cu）有稳定的界面，而铜却没有稳定的界面[6]。对Al（Cu）合金而言，颗粒边界的激活能为0.80～0.96 eV，与界面或内部相比是最小的，故Al（Cu）中，颗粒边界扩散占主导地位。同理，Cu中界面扩散占主导地位。（3）加工后不同的连线结构。Al连线工艺是平面工艺；而Cu互连工艺则是全新的3D微结构。
此外，Cu互连工艺还引人了新的失效机理，就是电化学失效机理，它可能导致Cu金属连线间的短路[7]。对于Cu互连工艺多层互连，信号的失真、连线间的信号串扰等也是尚待解决的问题。
对于Cu互连系统而言，Cu的可靠性只是一个重要方面，它还包括Low-k介质层、Cu与介质层的集成等可靠性问题。
不过，双大马士革工艺（Dual Dama scene）和CMP技术的出现使得Cu互连工艺得到了突破性的发展。
近年来，Yos Shacham-Diamand等人提出了银（Ag）互连技术[8]。在相互传输延迟的性能方面，采用Ag比Cu互连导电材料有7%的改进。以Ag为导线的器件可承受比Cu为导线器件更密集的电路排列，还可进一步减少所需金属层数目，以进一步减少生产成本。然而，Ag互连无论是在电迁移、应力迁移方面，还是在与其他材料的粘附性、集成兼容性等，都远远不及Cu互连[9]。因此Ag互连技术目前不具备大规模代替Cu互连技术的条件。
4 结语
Low-K介质与Cu互连技术的出现推动了对集成电路产业的发展。本文对Low-K介质与Cu连线的原理与应用现状进行了分析，得出今后IC产业中绝缘介质材料与互连引线材料的发展趋势：（1）具有介电常数低，热稳定性好，耐酸碱，易于图形化和腐蚀，机械强度大，可靠性高，击穿场强高，热导率高等特性的Low-K介质将会得到更加广泛的应用。（2）基于大马士革结构的互连技术及相关技术的改进与发展，使得Cu互连技术取代传统Al互连技术成为目前主导的互连技术。Ag互连技术由于技术尚未成熟暂时不能大规模取代Cu互连技术。
参考文献
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