铜基芯片铺设未来信息路

 【英国《经济学家》周刊６月６日一期文章】题：
通往大马士革之路
国际商用机器公司（ＩＢＭ）１９９７年宣布，该
公司希望用铜代替铝作为芯片内部连线的材料，以提高芯
片的性能。对于家用电器专家来说，以铜作为导线的想法
是天经地义的，因为铜的导电性优于铝。如今，铜导线—
—尤其是当它与一种名为“低介电常数绝缘”的技术结合
在一起时——看起来很可能会给芯片设计带来革命。
以铜代铝势在必行
芯片制造与其他许多领域的情况一样，尺寸就是一
切──尺寸越小，效果越好。在过去的３０多年时间里，
芯片的“线宽”（即芯片表面元件的最小尺寸及元件之间
的间隔）一直在缩小，而制造芯片的基本材料并没有改变
 。具体来说，把芯片上的晶体管与外界连结起来的“导线
 ”一直用铝制造，防止这些导线之间出现“串线”故障的
绝缘材料则是采用二氧化硅。但是，采用上述材料，制造
线宽在０．２５微米以下的芯片就会变得愈发困难和昂贵。
目前尚未到非改用铜不可的时候，但是如果把芯片做到
小于目前的尺寸，那么串线现象就会频繁出现，让人无法
容忍。
关于在什么时候以及以什么方式改用铜材，半导体
制造商各有各的打算。例如，ＩＢＭ公司已经在线宽降至
０．２微米时进行了更换，而加州圣何塞的专业芯片制造
商ＶＬＳＩ（超大规模集成电路）技术公司打算继续采用
铝，一直到线宽降到０．１５微米之下时再考虑改用铜。
其余的企业则介乎其间，平均的极限线宽是０．１８微米
。但是，所有的半导体制造商都知道，它们迟早是要进行
这种材料的转换的。
大马士革新工艺
过去之所以没有用铜作为芯片内的导线，是因为铜
会渗透到芯片的硅质基底结构中，从而影响芯片的性能。
ＩＢＭ公司的工程师利用绝缘层巧妙地绕过了这个难题。
他们还开发了芯片制造中的“大马士革法”工艺。这种工
艺的名字来源于一种因在１５世纪得到西班牙托莱多地区
工匠的改进而完善的首饰制造法。所谓的“大马士革法”
尤其适用于以铜代铝来制作芯片的金属化部件的材料。
常规的芯片制造方法是一层一层地在硅片上添加电
子元件。大马士革法采用的方法有所不同。在开始阶段，
它采用的是通常的做法，即在二氧化硅薄片上印刷晶体管
和连线的布局。但其后在制作金属连线时，先是在硅片上
蚀刻出细槽，再在细槽中填上导电的金属。尽管大马士革
法对铝也有效，不过铜的优越性要高得多，因为它能够更
加容易地到达细槽内的每一个角落。
ＩＢＭ公司搞出的这种特殊工艺需要利用由氮化钨
之类材料制成的一层很薄的阻隔层──其厚度只有０．０
２微米。它可以防止铜渗透到硅片中。在阻隔层的表面，
铺上一层厚度更薄的“种子”材料作为芯片的基底层，以
便帮助固定铜在芯片中的位置。利用这种工艺制造芯片，
通常需要８个步骤，而采用所谓的“双效大马士革法”，
可以省略其中的两个步骤。因此，ＩＢＭ公司的铜基芯片
可望比常规芯片便宜２０％。
谁能建造起铜基大厦
铜基芯片耗电较少，因而运行起来发热较少。这意
味着它们进行速度快得多的运算时──超过１０００兆赫
兹──也不致出现过热。因此，这种新型芯片上市后一开
始将用于工程用工作站和大型计算机。
不过，供高性能个人计算机使用的样品芯片已经开
始出现。今年２月，ＩＢＭ公司展示了供苹果公司麦金托
什计算机使用的一种４００兆赫的铜基微处理器。它的运
行速度比目前的标准芯片快很多。ＩＢＭ公司定于今年９
月开始大规模生产这种芯片。苹果公司的另一家芯片供应
商摩托罗拉公司也希望在９月份之前开始批量生产改用铜
的ＰｏｗｅｒＰＣ芯片。
世界最大的微芯片制造商英特尔公司对于自己的计
划讳莫如深。不过，先进微设备公司（ＡＭＤ）已经演示
一系列铜基芯片，目前这些芯片正在接受试用评估。
然而，取得进展最大的芯片制造商是得克萨斯仪器
公司。该公司生产的示范芯片把铜导线技术与低介电常数
技术结合在一起。正式投产后，这些芯片的运行速度可能
会比目前最好的芯片快至少１０倍。
其中涉及到的绝缘材料是一种名叫“干凝胶”的专
利产品──这是一种样子像海绵的物质，由内含空气的无
数微小玻璃球组成。空气是继真空之后的最佳绝缘体。绝
对真空的介电常数为１。相比之下，二氧化硅的介电常数
达４。据信，干凝胶的介电常数接近２．５。把低介电
数材料与铜导线结合在一起，将可以使芯片的线宽进一
缩小──也许可缩小至０．１２微米。这意味着得克萨
仪器公司芯片上元件的尺寸可以达到０．２５微米这一
宽极限的元件尺寸的１／４。