（深圳大学信息工程学院,广东 深圳 518060）
择要：集成电路(Integrated Circuits)的快速发展，导致对互连线的材料哀求更高，互连线的问题成为了集成电路的研究热点。尤其是当电路的特色尺寸越来越小的时候，互连线引起的各种效应是影响电路性能的主要成分。本文阐述了传统金属铝以及合金到现在主流的铜以及正在发展的新型材料——碳纳米管作为互连线的利害，并对新型光互连进行了先容。
0弁言
如今，集成电路（Integrated Circuits, IC）朝着高密度和低功耗方向发展，IC中器件的特色尺寸日益减小，当代集成电路可以集成得非常紧凑,可将数十亿晶体管和其他电子组件集成在一个面积约1 cm2乃至更小的衬底上。由于特色尺寸越来越小，互连线越来越细，导致互连引线横截面和线间距的减小, 电阻、电容、电感引起的寄生效应越来越影响电路的性能，互连RC延迟成为限定整体旗子暗记传播延迟的主要缘故原由。以是集成电路的互连线的发展对集成电路的发展影响深远。减少RC延迟、动态功耗以及相声噪声是研究集成电路互连线的新材料的动力［1］。
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沉积和刻蚀。集成电路芯片中的金属连线常日要能够承受很高的电流强度（105A/cm2以上），在高电流强度下，集成电路芯片中就随意马虎涌现电迁移。由于金属离子变得生动了, 大量电子的剧烈撞击就发生宏不雅观迁移征象。电迁移使得金属离子会在阳极堆积成小丘,在阴极涌现空洞，导致金属引线断裂，从而使全体集成电路失落效［2］。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
铝基本上可以知足作为集成电路互连线性能的哀求，以是集成电路中最初常用的互连金属材料是铝。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打仗电阻低（可低至10-6 Ω/cm），与硅和磷硅玻璃的附着性很好，易于沉积与刻蚀。在传统的铝互连工艺技能中,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,刻蚀形成金属互连引线的图形。随着对付集成电路制造工艺越来越成熟，特色尺寸能做得越来越小，铝互连线也暴露出许多致命的毛病，尖楔征象和电迁移征象最为严重。
目前集成电路的衬底基本为硅，然而铝在硅中的溶解度非常低，而硅在铝中的溶解度却非常高，由于这一物理征象，导致了集成电路淀积在硅片上的铝与硅打仗时硅会溶于铝中而产生裂痕，一样平常铝/硅打仗中的尖楔长度可以达到1 μm，而集成电路中有源区的厚度一样平常都在纳米级别。因此尖楔征象的存在可能使某些PN节失落效。电迁移征象上文已经解释，随着互连线层数和互连线长度的迅速增加以及互连线宽度的减小,更随意马虎涌现电迁移征象。当人们创造铝互连线已经不能适应互连技能发展对互连线材料的需求时,开始做了大量研究，如文献［3,4］中的研究,研究表明利用铝铜合金代替纯铝能办理电迁移征象。
1.2铝合金互连线
合金可以增大电子迁移率、增强扩散屏蔽等。文献［5］表明，铝互连线的电迁移问题研究的打破性进展是通过用铝铜合金代替纯铝实现的。1970年,IBM公司的Ames等创造在纯铝中加入少量的铜能够大大提高铝互连线的电迁移寿命,而后经由大批人的研究创造轻微在铝中多加1%的硅即可使铝导线上的毛病减至最少［6］，而在铝中加入少量的铜，则可使电子迁移率提高数量级倍［7］。
1.3铜互连线
集成电路金属互连线制造工艺达到纳米级后，由于超高纯铜具有更佳的电阻率和抗电迁徙能力，很快高纯铜就替代超高纯铝合金成为金属互连线的紧张材料［8］。铜替代铝成为集成电路互连线的一个巨大障碍是已成熟的铝互连工艺不适用于铜，铜不能产生易挥发的物质，难以刻蚀，而且铜在硅和二氧化硅中扩散得很快，这使衬底的介电性能严重减弱，用一样平常的刻蚀方法难以刻蚀形成互连图形。为将铜作为集成电路互连线的材料,就须要发展出与铝布线完备不同的工艺来办理。铜互连工艺发展采取了全新的布线工艺，目前运用最普遍的为最早由IBM提出的镶嵌工艺［910］。但是，集成电路技能进入32 nm这一节点后，就算是镶嵌铜线布线的技能，也同样面临着传统的蚀刻铝线互连所面临的问题，互连线的最大有效电流承载密度已远远无法知足需求，电迁移征象也愈发凸显［11］，铜互连线的稳定性，阻碍了集成电路的进一步发展。
2碳纳米管互连线
在这种发展趋势下，传统的金属互连线已阻碍了集成电路的发展。于是，对材料的优化成了紧张的寻衅。自Kroto和Smalley在1985年创造碳纳米管后［12,13］，在世界范围内掀起了一股碳纳米管热。碳纳米管具有很好的电学性能、导电性子、力学性子——极高的强度、极大的韧性和良好的热学性能，还有分外的磁性能、高的扩散率、高的反应活性和催化性能,以及接管电磁波的性能。由于碳纳米管拥有的这些性能，其能广泛地用于提高复合股料应力水平、电池的电极改性、导电、电磁屏蔽等［14］。碳纳米管(CNT)由于尺寸较小，能够承受的电迁移电流密度高，且有上述头等性能，能办理纳米尺度以及电迁移的难题，碳纳米管成为目前互连材料的研究热点［15］。
碳纳米管是由六角网状的石墨卷成的，具有螺旋周期管状构造。由石墨层卷曲而形成的封闭管状构造，根据石墨层图1碳纳米管的构造数的不同可分为单壁碳纳米管(SingleWalled Nanotubes, SWNTs)和多壁碳纳米管(MultiWalled 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，形状像个同轴电缆。
目前，在各大学的物理系和IBM等公司都在制造碳纳米管，成本相对来说比较高。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［16］。电弧放电法因此含有催化剂（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（充满惰性气体）内，通过电极间产生高温连续电弧，使得石墨与催化剂完备气化蒸发，在阴极上天生碳纳米管。但此方法不适用于集成电路。而CVD法是半导体工业中运用最为广泛的用来沉积多种材料的技能，已经成熟。该方法用于成长碳纳米管是在含有碳源的气体(或蒸汽)流反应室内，经金属催化剂表面时分解, 并天生炭纤维导，沉积到晶片表面上。图2是Nishant团队用CVD法制备碳纳米管的装备［17］。
图3不同成长温度下制备的碳纳米管薄膜的扫描虽然CVD法能用于集成电路制备碳纳米管，但是在工艺和可靠性方面都存在很多问题。大多数高质量的碳纳米管的成长温度都超过600℃，这对付硅工艺而言是不许可的。碳纳米管的成长工艺与CMOS工艺的兼容还是要大力研究的。要两工艺兼容，必将捐躯成长温度，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由长期的研究。可以用来影响碳纳米管成长的成分很多，比如气体［17］、温度［18］、重力［19］。如下图3是文献［18］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。其表明通过成长温度可以调控碳纳米管薄膜描述和浸润性能。但是利用这些成分制备碳纳米管方法的成长机理研究还不足深入，还不具备现实意义和运用代价，还不能投入生产。
只管碳纳米管的发展很快，但是将其集成到当今的大规模集成电路中去的技能还不是很成熟，还属于研究阶段，并未投入工业生产，且虽然目前很多专业人士对碳纳米管带来的寻衅提出了各种办理方案，可是到目前为止都没有很好的方案来彻底办理。
3光互连
传统的片上互连技能以及现在一贯在大力研究的新型碳纳米管互连的技能到一定的极限就会受到电互连物理特性的制约，但光互连就不同了。光互连的紧张上风在于低RC延时、低功耗以及不会有金属互连线的电迁移征象。其余,光互连用于芯片互连不需物理上的新打破。光互连技能已广泛运用于高性能打算机中的机柜间和节点间互连［20］。文献［21］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,其表明在同等条件下,不论是加速比还是效率,在网孔模型中，光互连（Optical interconnection）比电互连（Electrical interconnection）各方面性能的提高都超过了50%。
的加速比比拟
在各种光互连方案中，硅基光互连技能被认为是最有发展出息的一个方案。硅基光互连的研究详细还包括硅基纳米发光材料的设计、制备；硅基发光材料的设计、制备和激射；硅基发光器件的设计、制备和发光增强；硅图5在网孔构造中，光互连与电互连的效率比拟基光源和光波导集成耦合等［22］。详细光互连系统如图6。光互连的研究不单单是互连线的研究，还须要材料、旗子暗记处理、光学等学科研究职员的同心协力。
科研实力无比雄厚的IBM一贯在研讨集成纳米光子图6硅基光互连集成系统
技能，自2003年开始致力于CMOS的研究，取得了显著进展，紧张研究成果包括硅光子互连技能所需的各种光子器件的制备；2012年在光旗子暗记取代电旗子暗记进行信息传输方面取得重大打破。经由十多年的研发，“硅纳米光子”终于利用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，但严格来说这也只是光与电的结合，光子只是部分取代了电子。光互连的实用化还须要走很长的路。
4结束语
集成电路的发展离不开对互联线的研究，现在互连线的研究还紧张是对金属互连线的优化，金属互连线还是占主导地位，互连线目前的发展趋势还是金属互连线。但是对新的互连线材料的开拓及研究是互连线研究的热点。最近经由很多专业人士的研究，互联线发展了新材料——碳纳米管，但是由于这些进展都还处在研发阶段，碳纳米管互连线在制备工艺过程中的问题以及可靠性方面的问题等都没有办理，还没有投入工业生产中。不过由于碳纳米管的优胜性，还是值得作为集成电路的互联线研究的。光互连虽然工艺技能上还存在不少问题,未来的制作本钱也还无法预估，但是办理和完善这些问题是指日可待的。当光互连技能在集成电路中得到工业化运用时,集成电路必将再发展一大步。
参考文献
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