7 月 12 日訊息，比利時微電子研究中心（IMEC）開發了採用 1nm 工藝技術構建矽晶片過程中使金屬互連的新方法，解決了 1nm 互連發熱問題。

IMEC 在上週的 2021 年國際互連技術會議（IITC 2021）上展示了這項實驗研究。

一、IMEC 發現電阻率更低的新材料

IMEC 展示了基於鋁的二元化合物的實驗研究，重點是它們的電阻率，理想配比狀態的 AlCu 和 Al₂Cu 薄膜，電阻率低至 9.5μΩ*cm。

這些結果在實驗上支援了將 AlCu 和 Al₂Cu 在先進的半鑲嵌互連整合方案中用作新導體的可能性，在這些方案中它們可以與氣隙結合以提高效能。然而，在這種組合中，焦耳熱效應變得越來越重要。

將邏輯技術線路圖縮小到 1nm 及以下需要在後端最關鍵的層中引入新的導體材料。鋁和釕（Ru）的電阻率低於銅、鈷或鉬等傳統元素金屬，這可能會對 1nm 工藝下的晶片效能有所影響。

IMEC 研究了包括 AlNi、Al₃Sc、AlCu 和 Al₂Cu 在內的鋁化物薄膜的電阻率，在 20nm 及以上厚度時，所有 PVD 沉積薄膜都顯示出與鉬相當或低於鉬的電阻率。28nm 的 AlCu 和 Al₂Cu 薄膜實現了 9.5μΩ*cm 的最低電阻率 —— 該值低於 Cu 的值。實驗還表明控制薄膜理想狀態防止表面氧化是研究鋁化物需要面臨的挑戰。

▲ 28nm 厚的 AlCu 薄膜的電阻率與 Al 濃度的關係

二、更高的金屬密度將減少焦耳熱

IMEC 設想在先進的半鑲嵌工藝技術中使用這些金屬間化合物，這需要直接對金屬進行蝕刻，以獲得具有更高縱橫比的線條。IMEC 發現通過在金屬線之間逐漸引入部分或全部氣隙，可以進一步改善 RC 延遲，用電隔離氣隙代替傳統的低 k 電介質，有望降低按比例縮放的電容。但是氣隙的導熱性極差，這需要對操作條件下的焦耳熱效應格外注意。

IMEC 通過在區域性 2 層金屬互連層上進行焦耳熱“校準”測量，並通過建模將結果投射到 12 層後端連線（BEOL）結構上，從而量化了這個難題。該研究預測，氣隙會使溫度升高 20%。研究也發現金屬線的密度起著重要作用，較高的金屬密度顯示有助於減少焦耳熱。

IMEC 研究員兼奈米互連專案總監 Zsolt Tokei 說：“這些發現是改進半鑲嵌金屬化方案使之成為 1nm 及以下互連選項的關鍵。IMEC 正在通過其他選項擴充套件互連路線圖，包括混合金屬化和新的中間線方案，同時解決與工藝整合和可靠性相關的關鍵挑戰。”

▲ 具有區域性氣隙的 12 層金屬層互連溫度圖

結語：又一難題得到解決，1nm 晶片距我們還有多遠？

3nm 晶片量產之日離我們越來越近，上個月底，三星宣佈 3nm 晶片已經正式流片，各晶片製造頭部玩家也正在加速推進將 2nm 技術投入使用的計劃。

如今晶片製程的發展越來越接近物理極限，科學家和工程師們日益攻克包括互連發熱問題在內的諸多技術挑戰，ASML、三星、臺積電、IBM 等不同細分領域的晶片巨頭都在試圖從製造工藝、製造材料、封裝方法等方面推動晶片走向 1nm 以及更小的製程節點。

來源：IMEC 官網、eeNews Europe