IBM的铜连接线工艺是怎样的

IBM的铜连接线工艺是怎样的

多年来，科学家们一直为突破IC内部铝连接线的性能局限而奋斗。这些局限包括：相当高的电阻、对电迁移的脆弱性以及应力在合金内引起的孔隙。IC线宽的持续缩小使这些局限更加难以突破。研究人员早已知道铜连接线可以降低电阻，但制造铜连接线的困难和害怕损坏生产晶体管所用工具的心态一直把这种材料排斥在主流生产之外。直到去年年末，当IBM和Motorola宣布他们都独立开发成功六层铜连接线的芯片制造工艺时，一切都改变了。 ----IBM的研究人员DanEdelstein解释说：“为了使这种工艺能用于生产，我们必须提供制造图形、沉积和防止铜向硅里扩散的方法”。----克服障碍的新工艺方法被命名为dual?damascene(双大马士革)：铜先用电解方法镀在大圆片上预先腐蚀的沟道里，然后用化学和机械的方法抛光。----IBM预先用一种专有材料在沟道内加一层衬里以控制铜的扩散，事后在抛光的铜线上罩一层氮化硅。Motorola的工艺则采用氮化钛作为沟道的衬里材料，它既能防止铜的扩散又有助于铜附着在绝缘体上。----测量结果表明，铜连接线的电阻率比常用的铝低40～45%。较低的电阻率还有助于提高其它性能。Edelstein说：“你可以按比例减小线的宽度和厚度，从而减小分布电容。采用IBM工艺制成的铜连接线比相应工艺的铝线还细，其分布电容和电路串音都相应减少。” ----采用铜不但能改善性能、提高密度和降低成本，而且更大的优势表现在可靠性上。IBM和Motorola都充分地测试了新的连接线，发现铜连接线抵抗电迁移的能力比铝好得多。在实践中，今天的普通铝连接线已经含有少量百分比的铜以抵御电迁移。----IBM的科学家发现铜的电迁移(在电压作用下金属原子的漂移)性能提高了两个数量级，并且没有应力迁移(在张应力作用下细线内形成的孔隙)，而在普通连接线里的孔隙显著地增加电阻率。随着IC工艺的进步，连接线在缩小而电流密度在增加，与可靠性问题有关的是连接线而不是晶体管。 ----六层铜金属化是IBM的最新加工工艺技术CMOS7S的一部分。它还包括有效沟道长度为0.12μm的晶体管、1.8V工作电压以及单芯片上最多可达2亿个晶体管的集成水平。Motorola的工艺与IBM的工艺很相似，它具有采用双大马士革工艺制成的六层铜连接线，有效沟道长度0.15μm。----两家公司的铜连接线技术正在迅速转入生产。CMOS7S技术已在1998年1月开始向专用集成电路客户供货。Motorola的第一个产品是SRAM。该公司宣布夏季供应样品，九月投入生产。----最后，最快的互连系统将把铜连接线和低介质常数的层间绝缘体结合起来以减小分布电容和串音。最初几代IC采用介质常数接近4的溅射石英或氮化硅。今天，介质常数降到1.5的绝缘材料正在开发中，但开发在机械和热特性上都与晶体管制造工艺、尤其是与制造铜线所用的damascene技术相容的低介质材料却一直是个难关。----去年12月底，美国德州仪器公司(TI)的研究人员报告说，他们能够把一种介质常数可调的绝缘体Xerogel集成到铜damascene工艺中。Xerogel并不是什么神奇的聚合物，而是多孔的二氧化硅。由于空气的介质常数是1，二氧化硅的孔越多，介质常数就越低。孔隙度还控制Xerogel的机械性能。----TI开发的工艺是在用damascene工艺制成的相邻铜线之间采用孔隙度为75%、介质常数为1.8的Xerogel。测得的铜线电阻比铝线最多可降30%、电容最多可降14%。这些电气特性的提高以及它们与damascene工艺的相容性预示着Xerogel在IC工业应用上的辉煌前景。