隨著集成電路尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)的Cu互連因電阻尺寸效應(yīng)嚴(yán)重而面臨嚴(yán)峻的性能挑戰(zhàn)在10納米線寬下，銅互連的電阻率可達(dá)塊體材料的數(shù)十倍，嚴(yán)重制約芯片性能提升。尋找新一代互連金屬及其加工方案成為行業(yè)迫切需求。Ir、Ru、Rh等金屬因其電阻尺寸效應(yīng)較弱、可靠性好被稱為有可能取代Cu的“下一代互連金屬”。然而目前下一代互連金屬材料的加工方案尚不成熟。
上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馮繼成課題組成功開發(fā)出下一代芯片金屬互連“自下而上”加工的新方案。相關(guān)研究成果以題為“Wafer-scale nanoprinting of 3D interconnects beyond Cu”發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊ACS NANO, 并選為Supplementary Cover成果。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00720
此方案中開發(fā)了不受材料限制，且兼具納米級(jí)加工精度與晶圓級(jí)加工通量的新型金屬互連方案，利用其加工的Au、Ir與Ru三維金屬互連可達(dá)到理論預(yù)測(cè)的性能。該方法利用“人工閃電”蒸發(fā)金屬電極靶材，在常溫常壓的惰性載氣氛圍中高速冷卻下形成高純（>99%）金屬納米顆粒，再通過控制電場(chǎng)空間構(gòu)型，將納米顆粒原位打印成高純3D納米互連結(jié)構(gòu)，最小三維結(jié)構(gòu)的特征尺度可達(dá)17 nm（圖1），為芯片互連加工提供了全新的可能性。
除可適配材料種類多、高精度等優(yōu)勢(shì)外，該策略相較于主流的大馬士革工藝（絕緣層刻蝕–Cu填充–平坦化）可分別節(jié)省能源3個(gè)量級(jí)和提高材料利用率5個(gè)量級(jí)（圖1）。
圖1.晶圓級(jí)大面積3D打印多級(jí)、多尺度、多材料的芯片互連結(jié)構(gòu)。
通過程控化定制電場(chǎng)空間構(gòu)型，該工作中實(shí)現(xiàn)了多材料互連結(jié)構(gòu)，最小三維互連結(jié)構(gòu)的特征尺度微縮至17 nm。該工作還成功展示了“臺(tái)階式”的三維互連，為未來芯片立體集成提供了指導(dǎo)方案（圖2）。
圖2.打印互連結(jié)構(gòu)的材料以及尺度的自由調(diào)控。
該工作中通過對(duì)互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行后處理以提升性能，并結(jié)合第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)互連結(jié)構(gòu)性能（圖3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過簡(jiǎn)單熱處理后，3D打印的金屬互連結(jié)構(gòu)即可展現(xiàn)出接近理論預(yù)測(cè)值的優(yōu)異性能表現(xiàn)。
圖3.打印互連結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化以及理論預(yù)測(cè)。
此外，為契合集成電路的產(chǎn)量需求，本工作開發(fā)了一種基于脈沖電場(chǎng)的高通量打印策略，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)規(guī)模化制造金屬互連結(jié)構(gòu)的能力，僅需單次打印即可在60分鐘內(nèi)加工超過由10000000個(gè)3D納米結(jié)構(gòu)組成的晶圓級(jí)大面積陣列（圖4）。所打印的互連結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的工藝一致性，其尺寸變異系數(shù)CV <10%，與光刻圖案的標(biāo)準(zhǔn)在一個(gè)量級(jí)，充分滿足集成電路制造對(duì)工藝穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。
圖4.基于脈沖電場(chǎng)的晶圓級(jí)高通量打印。
本工作展示了打印三維納米結(jié)構(gòu)作為芯片互連的應(yīng)用潛力，有望為受制于現(xiàn)有制造手段而難以實(shí)現(xiàn)的芯片互連方案帶來新的發(fā)展機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，該技術(shù)不僅適用于集成電路互連制造和金屬化，在MEMS、光學(xué)超構(gòu)材料等前沿領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景（，物質(zhì)學(xué)院馮繼成 基于本工作已申請(qǐng)了多件中國(guó)和國(guó)際發(fā)明專利。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2024級(jí)博士研究生殷鈺祥、2022級(jí)博士研究生劉柄言為本文共同第一作者，通訊作者為馮繼成教授，上?？萍即髮W(xué)為本項(xiàng)成果唯一完成單位。 合作請(qǐng)聯(lián)系 團(tuán)隊(duì)官網(wǎng): http://www.jcfenglab.com 上科大技術(shù)轉(zhuǎn)移辦公室，郵箱：ott@shanghaitech.edu.cn 本文來自微信公眾號(hào)：材料科學(xué)與工程。感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。
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