Cu布线代替Al布线在线视频

好 我下一节讲

铜布线代替铝布线

那么这一节的内容

主要有四节内容

一个是影响

电子元器件的大敌电迁移

第二节

断线和短路缺陷的形成原因

和预防修补措施

第三讲铜布线代替铝布线的理由

第四讲用电镀法即可制作

铜布线

我们知道

在集成电路制作过程

它的布线

由于随着集成度的提高

它的布线越来越薄越来越细

那势必造成

它布线里边的电流密度

就越来越大

随着电流密度的增大

有一种现象叫电迁移

电迁移

容易产生裂纹 使布线开裂

那么布线一开裂

它就会产生报废了

那么这种现象

随着你集成度的提高

会越来越严重

那么什么叫做电迁移

我们知道电迁移

是由于电流所引起的

原子的定向的运动

那么电流我们知道

在电场当中

肯定是从电子运动

电子运动肯定是从什么

从他向正极运动的

它带负电荷

那么在运动的过程当中

如果电流很大了

我们想这电流

电子

朝着某一个方向运动

它会跟电子碰撞

使电子

也会朝着向同样的方向运动

那么这样

就是说原子也会朝着

正极运动

那么运动的结果

在负极这边

就往往形成孔洞

在正极那边

会产生晶须

会产生突起

会产生一些缺陷

那么无论如何说

随着电流密度增加

电迁移是个很大的问题

那么电迁移就产生裂缝

那么另外一个问题

就是说在布线当中

往往还有所谓应力迁移

应力迁移是什么意思

就是在布线当中

往往存在着应力

应力是怎么产生的

我们知道

随着布线越来越短

那么铜布线两边的话

往往是绝缘层

那么绝缘层跟铜布线的

热膨胀系数不一样

在你冷却受热 冷却受热

或者是在降温升温

降温升温的时候

因为热膨胀系数不一样

必然会造成什么

布线当中存在着应力

应力的存在

也会引起迁移

这种迁移同样会造成断线

那么所以无论是

电迁移还是应力迁移

都会什么

使布线失效

布线一失效

整个的集成电路

就会产生故障

会产生故障了

如果我们学过材料科学的人

就是说物质

在材料当中

除了电迁移以外

过去我们还有热迁移 化学迁移

什么叫热迁移

大家如果学过扩散的时候

有一个叫做可肯达尔效应

什么叫做可肯达尔效应

就是在置换式固溶体当中

那个低熔点的那个金属

低熔点的原子

它对空位的结合力比较大

空位的结合力比较大

随着扩散的进行

那么空位就会朝着

向低熔点的金属这边汇集

如果整体收缩

它就不存在问题

如果收缩不安全

就会在低熔点的金属这边

存在着空位

空位凝聚在一块也会产生

产生空洞

空洞多了以后就会产生裂纹

也会产生裂纹

这种现象叫做热迁移

就是由于扩散引起的迁移

造成的孔洞

还有一种叫做化学迁移

那么化学迁移

举个例子来讲

比方说银

比方银 银在电路里边

原来有一种位置

工作一段时间

银跑在另外一位置上去

有的人讲

这是因为微生物

微生物把银吃了

然后

在那个地方又排泄出来

不是这个意思

引起这个原因是化学迁移

什么叫化学迁移

就是说比方说

你在电路当中

不小心有一些个

溶液进去了

溶液对银 对银有腐蚀作用

它在这个位置腐蚀的

它在另一个位置

有一定的化学位的关系

它又还原出来了

表现银

从这个位置迁移到这个位置去

无论是电迁移

还是热迁移 还是化学迁移

都会在金属内部造成

空位

孔洞 裂纹

裂纹的话

就是一个缺陷

产生裂纹它就断线了嘛

一断线当然就有问题了

那么第二个

在集成电路当中

造成集成电路失效的

第二个大敌就是针孔

那么针孔是怎么产生的

就是在你光刻过程当中

由于周围的环境

它清洁度不够

那么在光刻过程

光刻胶里边

可能有一些颗粒

那么颗粒

在这存在着灰尘 颗粒

那么颗粒当你

在你清洗过程当中

把颗粒洗掉了

最后留下的针孔

那么针孔跟刚才那个开裂

它是同样性质的问题

什么性质的问题

那就造成断线嘛

造成断线就会失效嘛

所以解决针孔的问题

就需要你

这时造成断路

那么还有

一步步造成短路

断路短路都应该是什么

会造成电路的失效

所以必须加以预防

那么造成针孔的原因

就是在你整个的工作间里边

洁净度不够

洁净度不够

我们这张表

就大气当中

尘埃粒子及其大小范围

及其大小范围

我们看看从你气体分子

一直到工业 重工业用的尘埃

整个你范围当中

都是

由跟X光射线波长差不太多的

有用红外线

有肉眼可见的

用其他仪器可见的

在范围之内

那么有了针孔

就会产生

所以一般集成电路里边的

清洁度都是很高的

要用超级工作间

一百级的 一千级的

一万级的等等这些

超级工作间有它的气流

比方说

高级的超级工作间

气流一定是从上到下的

是不是

尽量的减少死角啊

减少循环

提高它的洁净度

所以工作间的洁净度

也是非常重要的

当然像这种针孔

特别是那种短路

可以用什么

可以加以修复

比方说用修理用的针尖

用针尖的话

可以对针孔

短路 断线进行修复

这是工艺当中

可以进行这种操作

这里边

就是说

它会产生电迁移

应力迁移 会产生针孔

那么我们知道刚才讲了

电迁移

它是由于电子的定向运动

电子跟原子进行碰撞

使原子的话

也会产生定向的运动

这么造成的

那么电迁移

它跟什么有关系

经过这么分析发现

就是电迁移

跟原子的质量

就是原子量有直接的关系

原子量如果小

它就会容易电迁移

原子量如果大的话

比较重的这些原子

就不容易发生电迁移

那么由于实验结果

就看到就是说

电迁移

肯定是电子定向运动碰撞原子

而造成的原子的定向运动

现象

跟原子序数有关系

我们尽量

采取原子序数大的这些材料

我们知道早期的布线

集成电路里边布线

一般都是采取的铝布线

那么为什么采取铝布线

起码铝布线有这么几个理由

铝的熔点比较低

很容易成膜 这是第一条

那么第二条

铝的电阻率

相应其他金属来讲

也算比较低的

比如说铝膜的电阻率

四个微欧厘米的样子

那么这是第二条理由

第三条理由

铝材料

它在元素周期表当中

跟硅它比较靠近

我们知道自然界里边

一般讲硅酸盐

还有硅铝酸盐

也就是如果铝跟硅

它的亲和力很好

所以在硅的表面形成铝膜

铝膜跟硅的这种附着力是非常好的

附着力是非常好的

铝价钱也比较便宜

容易得到

因此

集成电铝一般广泛的利用

铝电极

利用铝电极

所以它的布线

一般都是铝做的

那么随着集成度的提高

线条变窄

线条变薄

那么电迁移问题越来越严重

它起码铝

存在着两种问题

一个是容易产生电迁移

为什么

它原子序数小嘛

它很容易移动嘛

第二条铝的电阻率

还是大一些

还是大一些

那么为了解决它的电迁移

曾经在工艺过程当中

就采取各种办法

比方说变成铝合金

这个图里边可以看到

这个图可以看到

这是什么

这是纯铝的

这是铝+0.5%铜的

这是铝硅铜的这些

那么变成合金以后

发生发现就是说

它显然它的寿命

也提高很多

提高寿命很多

你看这是寿命曲线

这是寿命曲线

这是故障率嘛

这是实验时间

显然变成铝合金嘛

比纯铝要好的多了

那么就发现

有一些效果

比方说这张图

对应铝0.5%铜布线

在温度200度

电流每平方厘米2乘10的6次方

安培下试验

经一千小时

有70%的布线发生断线

而铝布线的情况

发生断线所用的时间要短的多

要短的多

这是实验结果

就发现合金化还是有好处的

那么这个图也是

铝硅铜也会是有效果的

那么实际上

就是说在我们

大规模集成电路

到130纳米或者更低的时候

那么人们

逐渐采取了铜布线

右边图

是铝硅铜膜

与铜膜在不同布线密度

情况下的对比

电流密度是左图所示情况的四倍

布线寿命加速缩短

也就是说你看

它缩短的非常厉害

直线非常陡直

铜就是效果非常好的

铜的效果非常好的

那么用铜布线代替铝布线

是大规模集成电路

微细化进展的一个重要方面

那么铜跟铝做比较

它有什么优点

首先它的电阻率是低

低到什么程度

就是铜的

铜膜的电阻率

大概二微欧厘米左右

铝是三到四

它的电阻率可以降低一倍

这是第一条

那么第二条优点是什么

铜的原子序数比铝的原子序数

要大的多

它原子量大

它原子质量大

比铝的原子质量大

因此电迁移现象

要远远的什么

要远远的比铝要好的多

那么就是说

由于它的电阻率比较

电阻率比较低

因此要相同的电流密度来讲

铜就可以做得更宽一些

甚至可以做得更厚一点

要做宽了做厚了

那实际上

它的那个电流密度就低了

电流密度低了

温升也低了

电流密度低了

温升也低了

电迁移现象断线现象就好的多

然后

应力的断线情况

也要好的多

应力开裂的情况

也好的多

电迁移

造成开裂的情况也好的多

因此采取铜布线代替铝布线

但是铜布线

做铜布线

有它的缺点

最主要的缺点是什么

比方说成膜性能比较差

刻蚀性能比较差

结合力不太牢啊

如果走铝这条路

用真空蒸镀的办法

显然有点走不通

因为它工艺性比较差

那么在人们

山重水复疑无路的时候

经过人的努力

得到了柳暗花明又一村

那怎么得到的

就是说在水溶液电镀

居然在芯片上

镀出来了

符合质量要求的铜膜

据说在开始搞

水溶液电镀的时候

一些博士生

拿着很简陋的仪器

在地下室里边

就实现了铜膜的电镀

我们电镀这个事

大量的用

防腐蚀电镀

装饰电镀

精密电镀

等等这些东西

镀锌 镀铬 镀镍 镀铬等等这些

大量的应用

那么把这种

就是表面上看

很粗糙的电镀

这种工艺

用在了

非常精细的集成电路里边

这本身就是一个创新

这里本身一个创新

而且

在集成电路制造过程当中

应该讲它也是一个划时代的工艺步骤

划时代

由于水溶液电镀

由于在水溶液电镀

在集成电路里边成功应用

因此反过来

那么这种电镀工艺

精细的电镀工艺

又重新用到了

比方说印制电路板上

重新用到了电镀上

使普通的电镀技术的话

提高了一个大的台阶

所以技术

就是互相促进的

那么电镀

它的析出

应激附着的反应状况

它是在阳极被腐蚀

阴极附近析出的这种现象

它是什么

关键有个亥姆霍兹

二重层

亥姆霍兹二重层

它是非常离的距离非常小

它的电场强度是多少

每米10的8次方伏的电场强度

因此在这种电场作用之下

铜离子的话

很容易沉积在

沉积在表面上

所以它的附着力 也是很好的

就是说主要是电镀的过程当中

有一个亥姆霍兹二重层

亥姆霍兹二重层

它的距离非常短

它的电流强度

可以达到

每米10的8次方伏的

高电流强度

这种电流强度很大的

在这种电流强度作用之下

铜离子

以很快的速度

沉积在表面上

因此附着力

也是非常高的

这是电镀

这就是水溶液铜电镀