IMEC揭示：2nm芯片可以使用的新材料

在2020年国际互连技术大会上，imec首次展示了采用钌金属(Ru)，具备电气功能的双金属层级结构(2-metal-level)互连技术。该金属是使用特殊的半镶嵌和气沟(Air Gap)技术生产，具有更好的使用寿命和更佳的物理强度(mechanical strength)。

透过一个12层金属分析，证实了这个半镶嵌技术可带来系统级的优势，包含降低阻容(resistance-capacitance，RC)、功耗和IR-Drop。此外，钌金属也展现了绝佳的潜力，可望作为先进制程的中段(MOL)接触插塞(contact plugs)的替代方案。

目前，替代性的金属化材料(例如钌)和替代性的金属化制程(例如半镶嵌)，正被密集的研究中，以前进2纳米或者以下制程技术的前段(BEOL)和中段(MOL )互联。

在前段设计中，imec提出了一种半镶嵌(semi-damascene)整合技术，作为传统的双重镶嵌(dual-damascene)的替代方案。为了能够完全的发挥这种结构技术的潜力，需要有除了铜(Cu)或钴(Co)以外的其他金属，它们可以被沉积而无扩散阻挡层，且具有高的体电阻率，并可以被图模式的使用，例如：减成蚀刻。

这个结构也可以增加互连的高度，并结合气隙作为电介质，将有望减少阻容(RC)延迟，这是后段制程的主要瓶颈。

Imec首次使用「钌」进行金属化，并在300mm晶圆上制造并特性化了双金属层的半镶嵌模组。在30纳米金属间距线的测试结构显示，有超过80%以上的可重复性(无短路迹象)，且使用寿命超过10年。同时钌的气隙结构的物理稳定性可与传统的铜双重镶嵌结构相比。

Imec纳米互连专案总监Zsolt Tokei表示，结果显示，半镶嵌与气隙技术相结合不仅在频率和面积上优于双镶嵌，而且为进一步的性能强化提供了可扩展的途径。气隙技术则显示出将性能提高10%，同时将功耗降低5%以上的潜力。使用高深横比的电线，可将电源线路中的IR下降减少10%，进而提高可靠度。在不久的将来，为半镶嵌模组开发的光罩组(Mask set)将能够进一步改善半镶嵌的整合，并通过实验验证去达成预期的性能改进。

Imec还展示了在先进MOL接触插塞中，使用「钌」替代钴或钨的优势。imec CMOS元件技术总监Naoto Horiguchi指出，无阻绝层的钌，有潜力进一步减小因缩小接触面积而产生的接触电阻。

在一项评测研究中，imec评估了钌和钴，结果表明钌是替代MOL狭窄沟槽中的钴，最有希望的候选方案。在0.3纳米氮化钛(TiN)内衬(无阻挡层)的孔洞，填充钌的电阻的性能，优于在相当的制程中填充钴(有1.5纳米氮化钛阻挡层)。研究还证明，钌作为源极和汲极接触材料，在p-硅锗(SiGe)和n-硅(Si)上的接触电阻率都较低，约为10-9Ωcm-2。