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摘 要:
集成电路(Integrated Circuits)的快速发展，导致对互连线的材料要求更高，互连线的问题成为了集成电路的商酌热门。尤其是当电路的特征尺寸越来越小的时候，互连线引起的多样效应是影响电路性能的热切要素。本文发达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式材料———碳纳米管手脚互连线的优劣，并对新式光互连进行了先容。
0 小序
如今，集成电路(Integrated Circuits，IC)朝着高密度和低功耗标的发展，IC 中器件的特征尺寸日益减小，当代集成电路不错集成得相配紧凑，可将数十亿晶体管和其他电子组件集成在一个面积约 1 cm 2 甚而更小的衬底上。由于特征尺寸越来越小，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、电感引起的寄收效应越来越影响电路的性能，互连ＲC 延伸成为扫尾全体信号传播延伸的热切原因。是以集成电路的互连线的发展对集成电路的发展影响深刻。减少 ＲC 延伸、动态功耗以及相声噪声是商酌集成电路互连线的新材料的能源。
1 金属互连线
集成电路金属互连引线在选材方面需要具有较小的电阻率且易于千里积和刻蚀。集成电路芯片中的金属连线时常要概况承受很高的电流强度(10 5 A/cm 2 以上)，在高电流强度下，集成电路芯片中就容易出现电迁移。由于金属离子变得活跃了，大宗电子的无情撞击就发生宏不雅迁移形状。电迁移使得金属离子会在阳极堆积成小丘，在阴极出现缺乏，导致金属引线断裂，从而使扫数集成电路失效。集成电路金属互连引线在选材方面需要具有考究的抗电迁移特质。
1．1 铝互连线
铝基本上不错激昂手脚集成电路互连线性能的要求，是以集成电路中领先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构兵电阻低(可低至 10－6Ω/cm)，与硅和磷硅玻璃的附着性很好，易于千里积与刻蚀。在传统的铝互连工艺技能中，互连引线的加工经由是着手在介质层上淀积金属层铝，然后以光刻胶作掩膜，刻蚀变成金属互连引线的图形。跟着关于集成电路制造工艺越来越锻真金不怕火，特征尺寸能作念得越来越小，铝互连线也暴流露许多致命的颓势，尖楔形状和电迁移形状最为严重。
目下集成电路的衬底基本为硅，然而铝在硅中的融化度相配低，而硅在铝中的融化度却相配高，由于这一物理形状，导致了集成电路淀积在硅片上的铝与硅构兵时硅会溶于铝中而产生随意，一般铝/硅构兵中的尖楔长度不错达到 1 μm，而集成电路中有源区的厚度一般皆在纳米级别。因此尖楔形状的存在可能使某些 PN 节失效。电迁移形状上文如故评释，跟着互连线层数和互连线长度的马上加多以及互连线宽度的减小，更容易出现电迁移形状。当东说念主们发现铝互连线如故弗成合适互连技能发展对互连线材料的需求时，初始作念了大宗商酌，如文件中的商酌，商酌标明使用铝铜合金代替纯铝能经管电迁移形状。
1．2 铝合金互连线
合金不错增大电子迁移率、增强扩散屏蔽等。文件标明，铝互连线的电迁移问题商酌的冲破性进展是通过用铝铜合金代替纯铝已毕的。1970 年，IBM 公司的 Ames 等发现在纯铝中加入少许的铜概况大大擢升铝互连线的电迁移寿命，此后经过普遍东说念主的商酌发现稍许在铝中多加 1%的硅即可使铝导线上的颓势减至最少，而在铝中加入少许的铜，则可使电子迁移率擢升数目级倍。
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，因为超高纯铜具有更佳的电阻率和抗电迁移能力，很快高纯铜就替代超高纯铝合金成为金属互连线的主要材料。铜替代铝成为集成电路互连线的一个遍及贫苦是已锻真金不怕火的铝互连工艺不适用于铜，铜弗成产生易蒸发的物资，难以刻蚀，况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指责，用一般的刻蚀身手难以刻蚀变成互连图形。为将铜手脚集成电路互连线的材料，就需要发展出与铝布线十足不同的工艺来经管。铜互连工艺发展接纳了全新的布线工艺，目下应用最普遍的为最早由 IBM 建议的嵌入工艺。但是，集成电路技能进入 32 nm 这一节点后，就算是嵌入铜线布线的技能，也一样濒临着传统的蚀刻铝线互连所濒临的问题，互连线的最大有用电流承载密度已远远无法激昂需求，电迁移形状也愈发突显，铜互连线的牢固性，禁锢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禁锢了集成电路的发展。于是，对材料的优化成了主要的挑战。自Kroto 和 Smalley 在 1985 年发现碳纳米管后，辞天下畛域内掀翻了一股碳纳米管热。碳纳米管具有很好的电学性能、导电性质、力学性质———极高的强度、极大的韧性和考究的热学性能，还有罕见的磁性能、高的扩散率、高的反馈活性和催化性能，以及招揽电磁波的性能。因为碳纳米管领有的这些性能，股票配资代理其能庸俗地用于擢升复合材料应力
水平、电板的电极改性、导电、电磁屏蔽等。碳纳米管(CNT)由于尺寸较小，概况承受的电迁移电流密度高，且有上述优等性能，能经管纳米法式以及电迁移的难题，碳纳米管成为目下互连材料的商酌热门。
碳纳米管是由六角网状的石墨卷成的，具有螺旋周期管状结构。由石墨层卷曲而变成的禁闭管状结构，凭据石墨层数的不同可分为单壁碳纳米管(Single-Walled Nano-tubes，SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Nanotubes，MWNTs)。如图 1 所示。单壁碳纳米管由一层石墨构成，又称富勒(Fullerenes tubes)。多壁碳纳米管含有多层石墨，神志像个同轴电缆。
目下，在各大学的物理系和 IBM等公 司 皆 在 制 造碳纳米管，资本相对 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。
电弧放电法是以含有催化剂(铁系元素、稀土元素等)的石墨棒作阳极，纯石墨棒手脚阴极，在电弧室(充满惰性气体)内，通过电极间产生高温聚拢电弧，使得石墨与催化剂十足气化蒸发，在阴极上生成碳纳米管。但此身手不适用于集成电路。而 CVD 法是半导体工业中应用最为庸俗的用来千里积多种材料的技能，如故锻真金不怕火。该身手用于滋长碳纳米管是在含有碳源的气体(或蒸汽)流反馈室内，经金属催化剂名义时辰解，并生成炭纤维导，千里积到晶片名义上。图 2 是 Nishant 团队用 CVD 法制备碳纳米管的装备。
诚然 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皆存在许多问题。大多数高质料的碳纳米管的滋长温度皆逾越 600℃，这关于硅工艺而言是不允许的。碳纳米管的滋长工艺与 CMOS 工艺的兼容照旧要荒诞商酌的。要两工艺兼容，必将殉国滋长温度，由于滋长温度越低，碳管中的颓势也就越多。况且碳纳米管的滋长标的、长度和直径可控的滋长亦然经过始终的商酌。不错用来影响碳纳米管滋长的要素许多，比如气体、温度、重力。如下图 3 是文件中在 4 种不同滋长温度(a 是 750℃，b 是 800℃，c 是 850℃，d 是 900℃)下制备的碳纳米管薄膜的 SEM 像片。其标明通过滋长温度不错调控碳纳米管薄膜形容和浸润性能。但是诈欺这些要素制备碳纳米管身手的滋长机理商酌还不够深入，还不具备试验意旨和应用价值，还弗成插足坐褥。
尽管碳纳米管的发展很快，但是将其集成到目下的大限制集成电路中去的技能还不是很锻真金不怕火，还属于商酌阶段，并未插足工业坐褥，且诚然目下许多专科东说念主士对碳纳米管带来的挑战建议了多样经管决议，但是到目下为止皆莫得很好的决议来透顶经管。
3 光互连
传统的片上互连技能以及现在一直在荒诞商酌的新式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质的制约，但光互连就不同了。光互连的主要上风在于低ＲC 延时、低功耗以及不会有金属互连线的电迁移形状。另外，光互连用于芯片互连不需物理上的新冲破。光互连技能已庸俗应用于高性能蓄意机中的机柜间和节点间互连。文件商酌指出，FFT 运算限制与加快比的相干如图 4 所示，运算限制与效力的相干如图 5 所示，其标明在同等要求下，岂论是加快比照旧效力，在网孔模子中，光互连(Optical interconnection)比电互连(Electrical interconnection)各方面性能的擢升皆逾越了 50%。
在多样光互连决议中，硅基光互连技能被以为是最有发展出路的一个决议。硅基光互连的商酌具体还包括硅基纳米发光材料的瞎想、制备;硅基发光材料的瞎想、制备和激射;发光器件的瞎想、制备和发光增强;硅基光源和光波导集成耦合等。具体光互联络统如图6。光互连的商酌不只单是互连线的商酌，还需要材料、信号处理、光学等学科商酌东说念主员的齐心合力。
科研实力无比浑朴的 IBM 一直在钻研集成纳米光子技能，自 2003 岁首始勇猛于 CMOS 的商酌，获取了显耀进展，主要商酌驱散包括硅光子互连技能所需的多样光子器件的制备;2012年在光信号取代电信号进行信息传输方面获取紧要冲破。经过十多年的研发，“硅纳米光子”终于诈欺 100 nm 以下工艺，在单颗硅芯片内同期整合了多种不同的光学部件和电子电路，但严格来说这也仅仅光与电的谄谀，光子仅仅部分取代了电子。光互连的实用化还需要走很长的路。
4 扫尾语
集成电路的发展离不开对互联线的商酌，现在互连线的商酌还主如若对金属互连线的优化，金属互连线照旧占主导地位，互连线目下的发展趋势照旧金属互连线。但是对新的互连线材料的建造及商酌是互连线商酌的热门。最近经过许多专科东说念主士的商酌，互联线发展了新材料——碳纳米管，但是由于这些进展皆还处在研发阶段，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皆莫得经管，还莫得插足工业坐褥中。不外由于碳纳米管的优厚性，照旧值得手脚集成电路的互联线商酌的。光互连诚然工艺技能上还存在不少问题，将来的制作资本也还无法预估，但是经管和完善这些问题是计日奏功的。当光互连技能在集成电路中得到工业化应用时，集成电路必将再发展一大步。