突破铜互连瓶颈，IMEC探索替代金属

MEMS · 公众号 · · 2017-07-16 06:00

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为了减缓在半导体制造发展道路上出现的高密度互连挑战，比利时研究机构IMEC在美国西部半导体展(Semicon West 2017)前夕发表其于半导体材料、工艺模组与架构的最新进展。

在IMEC的年度美国技术论坛(ITF2017 USA)上，IMEC专精于互连技术的杰出技术研究员Zsolt Tokei解释芯片间互连如何随半导体工艺微缩而变得越来越紧密。由于芯片的尺寸缩小，铜线之间的横截面面积随之缩减，增加了互连的电阻-电容(RC)与讯号延迟。

Tokei表示，RC延迟问题的出现可溯及几个技术节点以前，而且随着每一工艺节点进展，这个问题也变得越来越具挑战性。他说，IMEC及其合作伙伴，包括英特尔(Intel)、三星(Samsung)与台积电(TSMC)，均已为未来的技术节点提出了高密度互连的几种选择。

IMEC目前正探索的几种选择包括利用「微缩加速器」(scaling booster)，例如新的单元架构，以及具备超导孔(supervia)与半镶嵌结构(结合单镶嵌与双镶)特性的互连。Tokei说，IMEC还着眼于以替代金属取代铜(Cu)，看好钴(Co)、钌(Ru)以及最终采用复合材料等替代方案的可行性。

「替代金属提供了实质的可靠性优势，」Tokei说：「最重要的承诺之一是解决有关可靠性的问题，因为这些替代金属在本质上比铜更可靠。」

但是，Tokei也强调，过去二十年来主导半导体产业的主要互连技术——双镶嵌铜互连技术如今仍十分好用。

IMEC正致力于将基于铜的双镶嵌工艺扩展到下一个技术节点。该研究机构宣布成功展示了一种使用多图案化的多功能镶嵌模组实现的5nmn后段工艺(BEOL)互连解决方案。

由双镶嵌工艺和多图案化实现的密集间距区块（来源：IMEC）

而在5nm以后，具有低电阻率的过渡金属——钌(Ru)可望成为取代铜作为导体的备选方案之一。IMEC表示，目前正在58nm2的横截面面积上制作钌纳米线。除了低电阻率与高可靠度以外，钌的另一项特性是具有抗氧性，因而不必再消除扩散阻障层。

IMEC并为未来的互连需求探索其他选择，包括插入自组装单层或替代讯号技术，例如磁波导中的低能量自旋波传播，利用电子自旋传输讯号。IMEC说，经过旗下研究人员的实验证明，自旋波可以传输跨越几微米，这是在等效自旋电路中的短程和中程互连所需要的距离。