IBM的銅連接線工藝是怎樣的

多年來，科學家們壹直為突破IC內部鋁連接線的性能局限而奮鬥。這些局限包括：相當高的電阻、對電遷移的脆弱性以及應力在合金內引起的孔隙。IC線寬的持續縮小使這些局限更加難以突破。研究人員早已知道銅連接線可以降低電阻，但制造銅連接線的困難和害怕損壞生產晶體管所用工具的心態壹直把這種材料排斥在主流生產之外。直到去年年末，當IBM和Motorola宣布他們都獨立開發成功六層銅連接線的芯片制造工藝時，壹切都改變了。 ----IBM的研究人員DanEdelstein解釋說：“為了使這種工藝能用於生產，我們必須提供制造圖形、沈積和防止銅向矽裏擴散的方法”。----克服障礙的新工藝方法被命名為dual?damascene(雙大馬士革)：銅先用電解方法鍍在大圓片上預先腐蝕的溝道裏，然後用化學和機械的方法拋光。----IBM預先用壹種專有材料在溝道內加壹層襯裏以控制銅的擴散，事後在拋光的銅線上罩壹層氮化矽。Motorola的工藝則采用氮化鈦作為溝道的襯裏材料，它既能防止銅的擴散又有助於銅附著在絕緣體上。----測量結果表明，銅連接線的電阻率比常用的鋁低40～45%。較低的電阻率還有助於提高其它性能。Edelstein說：“妳可以按比例減小線的寬度和厚度，從而減小分布電容。采用IBM工藝制成的銅連接線比相應工藝的鋁線還細，其分布電容和電路串音都相應減少。” ----采用銅不但能改善性能、提高密度和降低成本，而且更大的優勢表現在可靠性上。IBM和Motorola都充分地測試了新的連接線，發現銅連接線抵抗電遷移的能力比鋁好得多。在實踐中，今天的普通鋁連接線已經含有少量百分比的銅以抵禦電遷移。----IBM的科學家發現銅的電遷移(在電壓作用下金屬原子的漂移)性能提高了兩個數量級，並且沒有應力遷移(在張應力作用下細線內形成的孔隙)，而在普通連接線裏的孔隙顯著地增加電阻率。隨著IC工藝的進步，連接線在縮小而電流密度在增加，與可靠性問題有關的是連接線而不是晶體管。 ----六層銅金屬化是IBM的最新加工工藝技術CMOS7S的壹部分。它還包括有效溝道長度為0.12μm的晶體管、1.8V工作電壓以及單芯片上最多可達2億個晶體管的集成水平。Motorola的工藝與IBM的工藝很相似，它具有采用雙大馬士革工藝制成的六層銅連接線，有效溝道長度0.15μm。----兩家公司的銅連接線技術正在迅速轉入生產。CMOS7S技術已在1998年1月開始向專用集成電路客戶供貨。Motorola的第壹個產品是SRAM。該公司宣布夏季供應樣品，九月投入生產。----最後，最快的互連系統將把銅連接線和低介質常數的層間絕緣體結合起來以減小分布電容和串音。最初幾代IC采用介質常數接近4的濺射石英或氮化矽。今天，介質常數降到1.5的絕緣材料正在開發中，但開發在機械和熱特性上都與晶體管制造工藝、尤其是與制造銅線所用的damascene技術相容的低介質材料卻壹直是個難關。----去年12月底，美國德州儀器公司(TI)的研究人員報告說，他們能夠把壹種介質常數可調的絕緣體Xerogel集成到銅damascene工藝中。Xerogel並不是什麽神奇的聚合物，而是多孔的二氧化矽。由於空氣的介質常數是1，二氧化矽的孔越多，介質常數就越低。孔隙度還控制Xerogel的機械性能。----TI開發的工藝是在用damascene工藝制成的相鄰銅線之間采用孔隙度為75%、介質常數為1.8的Xerogel。測得的銅線電阻比鋁線最多可降30%、電容最多可降14%。這些電氣特性的提高以及它們與damascene工藝的相容性預示著Xerogel在IC工業應用上的輝煌前景。