為了減緩在半導體製造發展道路上出現的高密度互連挑戰,比利時研究機構Imec在美國西部半導體展(Semicon West 2017)前夕發表其於半導體材料、製程模組與架構的最新進展。

在Imec的年度美國技術論壇(ITF2017 USA)上,Imec專精於互連技術的傑出技術研究員Zsolt Tokei解釋晶片間互連如何隨半導體製程微縮而變得越來越緊密。由於晶片的尺寸縮小,銅線之間的橫截面面積隨之縮減,增加了互連的電阻-電容(RC)與訊號延遲。

Tokei表示,RC延遲問題的出現可溯及幾個技術節點以前,而且隨著每一製程節點進展,這個問題也變得越來越具挑戰性。他說,Imec及其合作夥伴,包括英特爾(Intel)、三星(Samsung)與台積電(TSMC),均已為未來的技術節點提出了高密度互連的幾種選擇。

Imec目前正探索的幾種選擇包括利用「微縮加速器」(scaling booster),例如新的單元架構,以及具備超導孔(supervia)與半鑲嵌結構(結合單鑲嵌與雙鑲)特性的互連。Tokei說,Imec還著眼於以替代金屬取代銅(Cu),看好鈷(Co)、釕(Ru)以及最終採用複合材料等替代方案的可行性。

「替代金屬提供了實質的可靠性優勢,」Tokei說:「最重要的承諾之一是解決有關可靠性的問題,因為這些替代金屬在本質上比銅更可靠。」

但是,Tokei也強調,過去二十年來主導半導體產業的主要互連技術——雙鑲嵌銅互連技術如今仍十分好用。

Imec正致力於將基於銅的雙鑲嵌製程擴展到下一個技術節點。該研究機構宣佈成功展示了一種使用多圖案化的多功能鑲嵌模組實現的5nmn後段製程(BEOL)互連解決方案。

20170712_imec_NT02P1 由雙鑲嵌製程和多圖案化實現的密集間距區塊 (來源:Imec)

而在5nm以後,具有低電阻率的過渡金屬——釕(Ru)可望成為取代銅作為導體的備選方案之一。Imec表示,目前正在58nm2的橫截面面積上製作釕奈米線。除了低電阻率與高可靠度以外,釕的另一項特性是具有抗氧性,因而不必再消除擴散阻障層。

Imec並為未來的互連需求探索其他選擇,包括插入自組裝單層或替代訊號技術,例如磁波導中的低能量自旋波傳播,利用電子自旋傳輸訊號。Imec說,經過旗下研究人員的實驗證明,自旋波可以傳輸跨越幾微米,這是在等效自旋電路中的短程和中程互連所需要的距離。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Imec Eyes New Metals for Interconnect,by Dylan McGrath)