imec：金属导线技术突破 合金薄膜电阻首度超越铜和钌

比利时微电子研究中心 (imec) 本周在 IEEE 国际内连技术会议展示实验成果，首次证实导体薄膜的电阻在 12 吋矽晶圆上，可超越目前业界使用的金属导线材料铜 (Cu) 和钌 (Ru)，如厚度为 7.7 奈米的镍铝二元合金在经过晶粒工程后，可在线宽 10 奈米以下实现低电阻内连，测得最低电阻为 11.5µWcm，比铜材还低 23%。

imec 指出，为跟上元件微缩的进度，先进逻辑与记忆体晶片的最小线宽很快就会接近 10 奈米，在这种微缩尺寸下，铜材的电阻会急遽升高，可靠度也随之下滑，迫使内连技术研发人员寻找替代铜材的导线材料。

业界最初的开发重点是金属元素，后来逐渐延伸到二元及三元有序介金属，相关研究在 2018 年 IEEE 国际内连技术会议由 imec 先行展开。

imec 透过建立基于第一原理 (ab initio) 计算的独特方法，拣选最具发展潜能的材料，并以块材电阻与电荷载子平均自由路径 (mean free path)(r0 xl) 的乘积为主要的品质因子 (FOM) 来排序分级。

研究员暨奈米导线研究计划主持人 Zsolt Tőkei 表示，这套基于理论的性能评估是在 12 吋晶圆上进行技术实验，且为深入了解选定的二元合金材料在小尺寸下的电阻表现，并为其建模，imec 在 2023 年 IEEE 国际内连技术会议上提出一种有效电阻率，考量合金成分变化及有序和无序材料所带来的影响。

imec 进一步分析后发现，由于导体薄膜本身的晶粒尺寸小，所以二元合金薄膜的电阻主要受到晶界散射影响，而无序结构也会增加薄膜厚度。

在一项镍铝合金 (NiAl) 的化学计量研究中，7.7 奈米的薄膜经过测量后，电阻最低可达 11.5µWcm，比铜材还低了 23%；其做法是在后段制程容许的操作温度下，在锗 (Ge) 磊晶层上沉积一层 50 奈米的大粒径镍铝薄膜，然后进行薄化实验。

这些实验留用较大的粒径 (45.7 奈米)，能减缓晶界散射对电阻的影响。Zsolt Tőkei 补充，这项实验展示在 12 吋晶圆上制造导体薄膜可以达到低电阻值，进而推动持续研究中心探索二元及三元合金作为导线材料，同时也研究合金的成分控制，以及未来整合至导线蚀刻制程的相容性。

imec 将在今年 IEEE 国际内连技术会议举行 10 场讲座，探讨内连微缩技术的主要挑战，此次发表论文除了两篇有关替代金属材料 (其中一篇为受邀发表)，其它内容聚焦先进内连堆叠的半镶嵌导线制程、可靠度、热效应，以及中段导线制程等。