铜连线

　　copper connecting wire
　　从60年代初第一块集成电路(IC)问世起，IC中各元件之间的连线一直用着金属铝。IC的布线工艺由蒸铝和腐蚀铝(简称刻铝)工序完成。早期的铝线都做在同一平面上，称作单层连线。随着IC集成度的提高，走线越来越复杂，单层连线发展成多层连线，有的IC铝线有六七层之多。同层铝线之间及相邻各层铝线之间的电绝缘由介电常数为4的二氧化硅绝缘材料完成。以上这些是半导体界众所周知的事实。因此，当1997年12月，IBM，Motorola和TI(德克萨斯仪器)公司在华盛顿特区举行的国际电子器件会议上宣布他们将于1998年推出铜连线IC时，引起了不小的轰动，记者们纷纷采访有关公司的科学家和工程师，探询铜连线技术的优点、铜连线的制作工艺等详细情况。
　　和铝连线相比，铜连线有许多优点：
　　（1）铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7μΩ/cm，
　　铝的电阻率为3.1μΩ/cm，铜的电阻率较低，因而减少了阻容（RC)延迟，改善了性能。
　　（2）铜连线的寄生电容比铝连线小。因为铜的电阻率低，导电性能好，在承受相同电流时，铜连线截面积比铝连线小，因而相邻连线间的寄生电容C小，信号串扰也小。这就是说，铜连线的时间常数RC比铝连线小，信号在铜连线上传输的速度比在铝连线上快，这对高速IC是很有利的。
　　（3）铜连线的电阻小，导致铜连线IC功耗比铝连线IC功耗低，这很有利于电池供电的笔记本电脑和移动通信设备。
　　（4）铜的另一个优点是它的耐电迁移性能远比铝好。IBM公司发现，与传统的铝连线相比，铜连线的抗电迁移性能提高了两个数量级，而且没有因应力迁移而产生连线空洞，因而有利于IC可靠性的提高。
　　（5）铜连线IC制造成本低。IBM公司发明的实现铜连线的双镶嵌(dual damascene)IC工艺，比铝连线IC工艺减少了约20%—30%的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序。
　　（6）铜连线还提供了更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率分配。
　　另外，铜连线的布线层数目比铝连线少，对某些IC器件，铜连线的层数只有铝连线的一半。上述两点都能明显降低铜连线IC的制造成本。铜金属工艺被认为是下一代芯片的方向，但此前一直没有实现量产。
　　由于铜连线IC的速度、功耗、可靠性等性能好、成本低，许多大型集成电路制造工厂都开展了IC铜连线开发项目。IBM公司开发了CMOS 7S工艺，该工艺用六层铜连线，晶体管的有效沟道长度为0.12μm(版图上为0.2μm)，电源电压1.8V，集成度高达200万个晶体管。1998年1月，IBM已将CMOS 7S工艺用于生产专用集成电路ASIC。Motorola公司的开发项目与IBM相似，它的第一批产品是快速静态随机存储器SRAM。
　　铜连线降低了电容和信号串扰效应，若将铜连线和低介电常数的绝缘材料相结合，这种铜/低介电常数介质连线，速度将会更快，串扰将会更小。TI公司将低介电常数介质技术用于铜连线工艺中，耗资1.5亿美元建成了新的中心进行铜/低介电常数介质连线技术的开发项目。3年前该公司就开始低介电常数介质——一种硅基介质的研究开发工作，早期开发的介质称为xerogel，是一种多孔二氧化硅，它的介电常数会随气孔率而变，用气孔率为75%、介电常数为1.8的xerogel制成铜/xerogel连线，电阻比铝/二氧化硅连线降低30%，电容降低14%。近来TI公司又开发出称作纳米玻璃的介质，它的介电常数能在1.3到2.5之间变化。这种低介电常数介质可用惯用的自旋镀膜机镀到硅片上，然后烘干排除溶剂。和xerogel相比，它在几分钟内便可排除溶剂，而xerogel需要数小时。而且纳米玻璃温度稳定性也比xerogel好，在800℃下仍很稳定。TI公司研究了0.3μm铜/纳米玻璃连线IC，和铝/二氧化硅连线IC相比，电阻相同时，电容下降36%；电容相同时，电阻下降46%；RC性能几乎提高1倍。