下载文档原格式
集成电路设计中的多层互连技术研究集成电路这玩意儿，在咱们如今的生活里那可是无处不在！从手机到电脑，从汽车到飞机，到处都有它的身影。
今天咱就来聊聊集成电路设计里的多层互连技术。
你知道吗？我有一次参加一个科技展览，看到了一块被拆解开来的集成电路板。
那密密麻麻的线路和微小的元件，就像一座微型的城市，每一条线路都是一条街道，每一个元件都是一座建筑。
而这其中的多层互连技术，就像是城市里复杂的交通网络，把各个部分紧密地连接在一起。
咱们先来说说为啥要有多层互连技术。
想象一下，如果集成电路里的线路都在一个平面上，那得多拥挤啊！就像一个狭窄的小胡同，人来人往，挤得不行。
所以多层互连技术就像是给线路们建了高楼大厦，让它们可以分层布局，互不干扰，大大提高了电路的集成度和性能。
多层互连技术里的材料选择也很有讲究。
比如说铜，它的导电性能那是相当不错，就像是高速公路一样，能让电信号快速通过。
但是铜也有它的“小脾气”，它容易扩散，这可不好办。
于是科学家们就得想办法，给它穿上一层“防护服”，来解决这个问题。
再说说多层互连中的绝缘层。
这绝缘层就像是线路之间的“隔离带”，把它们分隔得清清楚楚，不让它们“串门”，避免短路。
而且这“隔离带”还得足够结实，能经受住各种考验。
在多层互连技术的制造过程中，那可是跟绣花一样精细。
光刻技术就像是一把超级精确的剪刀，把线路的形状一点一点地剪出来。
而刻蚀技术呢，则像是一个细心的工匠，把不需要的部分一点点地挖掉。
每一个步骤都得小心翼翼，稍有差错，整个芯片可能就报废了。
还有啊，多层互连技术还得考虑散热的问题。
芯片工作的时候会产生热量，如果热量散不出去，那可就麻烦了。
这就好比人在大热天里，如果不能及时散热，就会中暑一样。
所以得设计好散热通道，让热量能够快速跑掉。
另外，多层互连技术还在不断地发展和创新。
新的材料、新的工艺不断涌现，就像是一场永不停歇的竞赛。
科研人员们都在努力，想让集成电路变得更小、更快、更强大。
互连工艺的发展历程铜互连技术发展已经步入了第20个年头。
然而，即使芯片制造技术已经经历了20年的发展，铜的革命仍然被认为是该行业有史以来最为重大的变化之一。
归功于铜的集成，电子产品从此变得速度更快，性能更强大，性价比更高。
为了纪念这个重要的里程碑，让我们一起关注该行业正在经历的变革，并回顾成功集成铜的过程。
芯片微缩导致铝互连技术不再适用集成电路最初用铝作为导体，二氧化硅作为绝缘体（电介质），构建一个互连层，来将多个器件连接在一起。
整个互连的过程由铝沉积在晶圆表面开始，随后通过选择性刻蚀形成布线图案，沉积氧化物绝缘体，并利用化学机械平坦化（CMP）工艺将粗糙的表面变得平坦。
20世纪80年代后期，随着器件特征尺寸继续缩小，越来越薄的铝线无法实现所需的速度和电性能，因此需要一种性能更优的导电材料，以适应继续缩小的器件尺寸，同时保持芯片制造商预期的成本效益。
多年来，该行业的发展大致遵循摩尔定律，即晶体管密度每18个月翻一倍。
然而，由于铝互连的电性能局限性，芯片的微缩将无法继续进行，业内人士便开始寻找可替代材料。
人们首先想到的是铜，它具有更低的电阻率，且可实现更快的器件速度。
此外，铜并不像铝那样容易发生电迁移，所以具有更高的可靠性。
电迁移中，电流推动导线中的金属原子，会导致电阻增加，最终造成电路故障。
然而，使用等离子（带电气体）工艺刻蚀铜的方法并不可行。
由于铜不容易形成挥发性化合物，因此，通过干法刻蚀并不能轻松地将其从晶片表面除去。
芯片若要实现进一步微缩，亟需一种合适的新导体，或截然不同的图形化工艺，或两者的组合。
业内一直在研究其它导体材料，相较之下，铜的电气特性使其成为最佳选择。
工程师开始考虑使用镶嵌工艺，即借鉴大马士革的珠宝行业，先在基底金属上刻蚀图案，再将贵金属嵌入图案之中。
该工艺绕过刻蚀铜的难题，先沉积和刻蚀电介质材料，形成由沟槽和孔洞组成的图案（即镶嵌金属的模具）。
然后，仅将金属填充到图案中，而不是在整个晶圆表面沉积金属膜。
集成电路互联金属的电迁移效应研究许燕丽;徐伟龙;李金华【摘要】电迁移效应是因传导电子动量对金属的轰击作用造成金属互连线原子迁移、堆积、断裂的现象,是集成电路损坏的重要原因.本课题用离子束溅射,在介质层上沉积Al,Al- Cu和Cu薄膜,然后对三种薄膜材料进行光刻,得到所需的线条.对经光刻后的各种材质线条通以不同的电流密度,观察电迁移发生的极限电流密度,实验测得Al的极限电流密度为2.706×105 A/cm2,含10％Cu的Al-Cu合金的极限电流密度为1.331×106 A/cm2,通以Al线条45倍电流密度下,Cu没有观察到电迁移现象.由此可以得出结论,Cu有着很好的抗电迁移性能,在Al中掺入10％左右的Cu 可以有效的提高其抗电迁移的能力.%Electro -migration is an atomic transport process which results from momentum transler to the constituent metal atoms due to collisions with the current conduction electrons. As atoms electro-migrate, there is a depletion of material "upstream" and an accumulation "downstream" at sites of flux divergence. Electro-migration is the main reliability issue in modern integrated circuits. This study uses ion beam sputtering to deposit Al, Al-Cu and Cu film on medium layers. The method of lithography to get the required lines of the three film materials was used. Different current density was applied to the three lines to observe the limit current density when the electro-migration occurs. The limit current density of Al is 2. 706×105 A/cm2, Al -Cu was 1. 331 × 106A/cm2. As to Cu, The electro -migration effect was mot observed until the current density was more than 45 times of Al limit current density.Conclusively, Cu has the best anti-electro-migration ability, the Al -Cu alloy containing 10% of Cu could better anti - electro-migration effect.【期刊名称】《常州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(023)004【总页数】4页(P71-74)【关键词】集成电路;电迁移;互联;离子束溅射【作者】许燕丽;徐伟龙;李金华【作者单位】常州大学数理学院,江苏常州 213164;常州大学数理学院,江苏常州213164;常州大学数理学院,江苏常州 213164【正文语种】中文【中图分类】TN43;TN47自半导体集成电路技术发明以来，集成电路产业一直以指数增长率迅猛发展，其作为现代高技术的重要支柱，集成电路技术的进步和更新换代是以所加工的最小线条尺寸(特征尺寸)的缩小、硅片尺寸的增加和芯片集成度的增加为标志。
基于集成电路的光电传输技术研究及应用光电传输技术是指利用光电子技术来实现信号传输和信息交换。
其发展历史可以追溯到上个世纪，随着集成电路技术的不断更新，光电传输技术得到了广泛应用，其可应用领域包括通讯、计算、光学传感和生物医学等领域。
光电传输技术可以分为两大类：光电集成电路和光纤通信。
本文重点介绍光电集成电路技术及其应用研究。
一、光电集成电路技术光电集成电路技术是指将光电子器件和电子器件集成在同一芯片上，实现光电信号转换和处理。
光电集成电路技术的核心是光电转换器件，主要包括光电二极管、光伏二极管、光敏电阻等器件。
光电集成电路技术具有许多优点：首先，光电器件具有高速、大带宽、低噪声等优点，可以实现高速信号的传输和处理；其次，光电器件可以与CMOS电路集成在同一芯片上，从而实现高度集成和小体积化。
这对于提高系统性能和降低成本具有重要意义。
在光电集成电路技术应用方面，可以分为通讯、计算和光学传感三个方面。
二、光电集成电路技术在通讯中的应用光电集成电路技术在通讯领域中得到了广泛应用。
光电集成电路芯片中集成了光发射器、光接收器、光电调制器、光电放大器、时钟发生器等器件，可以实现高速、高密度的数据传输。
例如，10Gb/s WDM（波分复用）收发器已经实现了集成化，其芯片尺寸小于1平方厘米，体积小于500毫立方米，功耗低于1.5瓦。
此外，光电集成电路技术还可以实现高速光纤互联、光纤传感等应用，可以提高通讯系统的带宽、速度和稳定性。
三、光电集成电路技术在计算中的应用光电集成电路技术在计算领域中也得到了广泛应用。
例如，借助光电集成电路技术可以实现高速匹配器、高速全加器、高速数据缓存等部件的设计和实现，从而提高计算机系统的运算速度和性能。
通过进行光电子芯片的集成设计，可以实现一个高速、低功耗的计算平台。
光电集成电路技术在计算领域的应用潜力巨大，将为计算机领域带来深刻的影响。
四、光电集成电路技术在光学传感中的应用光电集成电路技术在光学传感领域中也有广泛应用。
电迁移失效判定电路设计进展报告1.电迁移失效机理和失效模式电迁移(Electromigation)是在一定温度下，当半导体器件的金属互连线上流过足够大的电流密度时，被激发的金属离子受电场的作用形成离子流朝向阴极方向移动，另外在电场作用下的电子通过对金属离子的碰撞传给离子的动量形成朝着金属膜阳极方向运动的离子流，造成了金属离子向阳极端的净移动，最终在金属膜中留下金属离子的局部堆积而出现小丘、晶须(引起短路)或引起金属离子的局部亏损而出现空隙(引起开路)，最终导致突变失效，影响集成电路的寿命。
根据电路在不同位置发生电迁移、以及发生电迁移的形式的不同，电迁移的失效模式主要有下面几种：1.1短路1.1a．电迁移使晶体管发射极末端积累铝离子，使EB结短路，这对套刻间距小的微波功率管容易发生；1.1b．电迁移产生的晶须使相邻的两个铝条间短路，这对相邻铝条间距小的超高频器件、大规模集成电路容易发生；1.1c．集成电路中铝条经电迁移后与有源区短接，多层布线上下层铝条经电迁移后形成晶须而短接；1.1d．晶须与器件内引线短接。
1.2 断路1.2a．正常工作温度下，铝条承受电流过大，特别是铝条划伤后，电流密度更大，使铝条断开。
尤其是大功率管，在正常结温(150℃)时，往往工作几百小时后因电迁移而失效；1.2b．压焊点处，因接触面积小，电流密度过大而失效；1.2c．氧化层台阶处，因电迁移而断条。
通过氧化层阶梯的铝条在薄氧化层上散热好，温度低，而在厚氧化层上散热差，温度高。
所以当电子流沿着铝条温度增加的方向流动时，就会出现铝原子的亏空，而形成宏观的空隙。
1.3 参数退化电迁移将影响器件性能稳定。
例如，晶体管EB结的退化。
2.失效判定电路检测参数的选择当电路发生电迁移之后，电路中互连线的电阻会发生很大的变化，严重的甚至发生互连线的断路和短路。
为了判定电路是否发生电迁移，最直接的方法就是测量互连线的电阻。
然而，在芯片的引脚上无法直接测量内部互连线的电阻，在芯片引脚上只能测量端口电压和电流，在这里，选择引脚电压作为检测参数。
什么是互连？随着深亚微米（Deep Sub-Micron）集成工艺的发展，集成电路中广泛存在宽度仅为深亚微米量级且多层分布的金属互连线，这些互连线已不能近似为一种等电势连接，而需要考虑在电路正常工作情况下，它们之间的电磁耦合寄生效应（Parasitic Effect）。
而且，与晶体管不同，互连线的寄生效应，随着集成电路特征尺寸的缩小和工作频率的增大而日益重要。
研究表明[1]，在高速集成电路中，限制其发展的主要因素不是器件的门时延，而是互连线的寄生元件引起的时间时延、互连线之间信号的串扰和电路功耗。
与标准逻辑单元中的短线以及模块电路中的中长线不同，顶层的全局互连线长度不随工艺缩减而减小。
因此在深亚微米技术下，全局互连线的性能成为系统整体性能的主要限制因素。
全局互连线的设计和优化会对系统的整体性能，包括延时、带宽、功耗等产生直接影响,从而在深亚微米集成电路设计中，对全局互连线的极限性能的研究具有一定的理论意义。
互连线是指连接两个元器件之间的传输线。
按照互连线所在的设计层次的不同，可以将互连线分为以下几种：印刷电路版上的互连线、连接电路版的电缆线、芯片内部的互连线、芯片封装时管脚和芯片之间的互连线。
本文所讨论的均是芯片内部的互连线。
芯片内的互连线大致可以分成三种[1-4]：第一种是短线，即局部互连线。
短线主要用于逻辑门之间或者速度不是很快的器件间的连接，通常短线的长度远远小于信号波长，短线的时延主要受到耦合电容的影响，对系统时延没有显著影响一般可以忽略。
第二种是中长线，即模块间互连线。
中长线信号传输速度比短线快，电感耦合效应也变得突出，因而容易引起很高的噪声，中长线需要采用低电阻率金属和中等厚度的绝缘介质。
第三种是长线，即全局互连线。
长线对电路性能起着关键作用，长线特别需要采用低电阻率金属以减小信号线和电源线的电阻损耗，需要厚的绝缘层来增加特征阻抗，减小时延，需要较宽的线间距以减少串扰，虽然线宽和宽间距可以减小RC 时延和串扰，但同样也会影响布线密度。
