集成电路中低介电常数介质发展概述.doc

超大规模集成电路中低介电常数介质研究进展 集成电路发展，从1947年肖克利和他的两助手布拉顿、巴丁在贝尔实验室发明的世界上第一个晶体管算起，到今天也有60Ω cm），比金属铝的电阻率（~3.0uΩ cm）低约40%，因而，铜线替代传统的铝线就成为集成电路工艺的发展方向。如今，因为大马士革及双大马士革工艺的出现，铜线工艺已经成为集成电路工艺的重要领域。与此同时，低K材料代替传统的二氧化硅，也就成为集成电路工艺的又一必然选择。因此，低电阻率的铜与低介电常数介质相结合的新型互连结构，就成为未来集成电路工艺技术发展的主流。其中，低K材料是这种新型互连结构的基础，成为超大规模集成电路和系统级集成电路开发中比不可少的关键材料。国内外一些专家相继指出，低介电常数互连介质的研究已经成为发展高速、低功耗和多功能集成电路需要解决的瓶颈。 一．理论分析 下面从理论的角度解释为什么低K材料可改进互连延迟问题。首先由图示来表明互连线之间的电阻，如图1所示 图1 金属互连线间电阻示意图 从图1的简单金属互连线示意图可以求出互连线间的电阻，一些参数也已经标出。下面给出互连线间寄生电容的简单示意图，由图2可以看出各互连线间的线间电容和互连线的线层间电容。这里我们只考虑相邻互连线间的电容，而忽略布线间距比较远的金属线。 图2 金属互连线间电容 从总电容可以看出，低K材料显然可以使电容减小。 RC互连延迟： ρ(Al) = 3.0 uΩ cm ρ(Cu) = 1.7 uΩ cm k(oxide) = 4.0 k(low-k) = 2.7 k(air gap) = 1.0 图3说明随着器件尺寸缩小，不同电阻率的金属和不同介电常数的介电材料对栅极延迟和RC延迟的影响 图3 栅极延迟vs RC延迟 L: 互连长度 T: 金属高度 W: 金属宽度=金属间距 r: 金属电阻率 L W T W r 平行板电容 A: 极板面积 d: 板间距离 k: 电介质常数 e0: 真空介电常数 T W W T T Cv Cv Cl Cl cross-section of inter-connect system top metal layer bottom metal layer Interconnect layer T: 电介质厚度（=金属高度） 线间电容 层间电容