銅連線

銅連線（copper connecting wire），指積體電路(IC)中各元件之間金屬銅的連線。

copper connecting wire
從60年代初第一塊積體電路(IC)問世起，IC中各元件之間的連線一直用著金屬鋁。IC的布線工藝由蒸鋁和腐蝕鋁(簡稱刻鋁)工序完成。早期的鋁線都做在同一平面上，稱作單層連線。隨著IC集成度的提高，走線越來越複雜，單層連線發展成多層連線，有的IC鋁線有六七層之多。同層鋁線之間及相鄰各層鋁線之間的電絕緣由介電常數為4的二氧化矽絕緣材料完成。以上這些是半導體界眾所周知的事實。因此，當1997年12月，IBM，Motorola和TI(德克薩斯儀器)公司在華盛頓特區舉行的國際電子器件會議上宣布他們將於1998年推出銅連線IC時，引起了不小的轟動，記者們紛紛採訪有關公司的科學家和工程師，探詢銅連線技術的優點、銅連線的製作工藝等詳細情況。
和鋁連線相比，銅連線有許多優點：
（1）銅連線的電阻R比鋁連線小。銅的電阻率為1.7μΩ/cm，
鋁的電阻率為3.1μΩ/cm，銅的電阻率較低，因而減少了阻容（RC)延遲，改善了性能。
（2）銅連線的寄生電容比鋁連線小。因為銅的電阻率低，導電性能好，在承受相同電流時，銅連線截面積比鋁連線小，因而相鄰連線間的寄生電容C小，信號串擾也小。這就是說，銅連線的時間常數RC比鋁連線小，信號在銅連線上傳輸的速度比在鋁連線上快，這對高速IC是很有利的。
（3）銅連線的電阻小，導致銅連線IC功耗比鋁連線IC功耗低，這很有利於電池供電的筆記本電腦和移動通信設備。
（4）銅的另一個優點是它的耐電遷移性能遠比鋁好。IBM公司發現，與傳統的鋁連線相比，銅連線的抗電遷移性能提高了兩個數量級，而且沒有因應力遷移而產生連線空洞，因而有利於IC可靠性的提高。
（5）銅連線IC製造成本低。IBM公司發明的實現銅連線的雙鑲嵌(dual damascene)IC工藝，比鋁連線IC工藝減少了約20%—30%的工序，特別是省略了腐蝕鋁等難度較大的瓶頸工序。
（6）銅連線還提供了更小的時鐘和信號畸變，改善了片上功率分配。
另外，銅連線的布線層數目比鋁連線少，對某些IC器件，銅連線的層數只有鋁連線的一半。上述兩點都能明顯降低銅連線IC的製造成本。銅金屬工藝被認為是下一代晶片的方向，但此前一直沒有實現量產。
由於銅連線IC的速度、功耗、可靠性等性能好、成本低，許多大型積體電路製造工廠都開展了IC銅連線開發項目。IBM公司開發了CMOS 7S工藝，該工藝用六層銅連線，電晶體的有效溝道長度為0.12μm(版圖上為0.2μm)，電源電壓1.8V，集成度高達200萬個電晶體。1998年1月，IBM已將CMOS 7S工藝用於生產專用積體電路ASIC。Motorola公司的開發項目與IBM相似，它的第一批產品是快速靜態隨機存儲器SRAM。
銅連線降低了電容和信號串擾效應，若將銅連線和低介電常數的絕緣材料相結合，這種銅/低介電常數介質連線，速度將會更快，串擾將會更小。TI公司將低介電常數介質技術用於銅連線工藝中，耗資1.5億美元建成了新的中心進行銅/低介電常數介質連線技術的開發項目。3年前該公司就開始低介電常數介質——一種矽基介質的研究開發工作，早期開發的介質稱為xerogel，是一種多孔二氧化矽，它的介電常數會隨氣孔率而變，用氣孔率為75%、介電常數為1.8的xerogel製成銅/xerogel連線，電阻比鋁/二氧化矽連線降低30%，電容降低14%。近來TI公司又開發出稱作納米玻璃的介質，它的介電常數能在1.3到2.5之間變化。這種低介電常數介質可用慣用的自鏇鍍膜機鍍到矽片上，然後烘乾排除溶劑。和xerogel相比，它在幾分鐘內便可排除溶劑，而xerogel需要數小時。而且納米玻璃溫度穩定性也比xerogel好，在800℃下仍很穩定。TI公司研究了0.3μm銅/納米玻璃連線IC，和鋁/二氧化矽連線IC相比，電阻相同時，電容下降36%；電容相同時，電阻下降46%；RC性能幾乎提高1倍。