隨著先進工藝一步步向高端邁進，芯片制造商持續在最新工藝節點的晶體管制造技術上取得進步，但互連技術似乎跟不上先進工藝的步伐。

芯片行業正在研究幾種新的技術來解決互連瓶頸，其中許多解決方案仍處于研發階段，估計在短期時間內不會出現——可能要等到2nm，2nm的上市時間預測在2023/2024年。此外，解決方案需要采用不同材料，以及采用新的昂貴工藝。

在此之前，業界會繼續解決先進芯片的一些問題，這些芯片由晶體管、接觸孔和互連三部分組成。位于晶體管頂部的互連由微小的銅線組成，這些銅線將電信號從一個晶體管傳輸到另一個。如今的先進芯片的互連有10到15層，每層都包含一個復雜的銅布線方案，并使用微小的銅過孔連接。

此外，晶體管結構和互連通過一個中間層（MOL）連接。MOL層由一系列微小的接觸孔結構組成。

在近10年前，先進芯片的問題開始在20nm和16nm/14nm的節點處越積越多。當時晶體管內部更加緊湊的銅互連，造成芯片中不必要的電阻電容（RC）延遲。簡單地說，讓電流通過這些細線變得越來越困難。隨著時間的推移，芯片制造商已經能夠將晶體管和互連縮小到最新的節點，即7nm/5nm。但在每個節點上，復雜的互連方案會導致其在芯片延遲的占比增加。

“隨著晶體管尺寸的縮小，連接它們的金屬線也必須在多層互連堆積的整體層高結構中進行，”Lam Research大學項目主管Nerissa Draeger解釋道。“隨著一代又一代新節點的出現，這些局部互連變得越來越窄，越來越密，現有的銅互連面臨著重大挑戰。例如，進一步減小線寬或高度將會顯著增加線的電阻。”

其中許多問題可以追溯到銅互連的制造。為此，芯片制造商在晶圓廠采用了所謂的銅雙金屬嵌套工藝。這是由IBM在20世紀90年代后期開發的。芯片制造商在大約25年前開始在220nm/180nm處植入雙金屬嵌套工藝，并從那時起一直在擴展這項技術。

芯片制造商將這項技術推廣到更先進的節點，并計劃將其擴展到3nm。不過，在3nm之后，RC延遲問題可能會變得更加棘手，因此業界極需要一個新的解決方案。

這個解決方案就是找到下一代的互聯技術，這對芯片的擴展至關重要。但是，如果業界無法開發出下一代、高性價比的2nm以后的互連方案，我們今天所知的芯片微縮可能會逐漸停頓。

目前行業正在研發的是2nm及以后的各種新型互連技術。其中有：● 混合金屬化或預填充。這將不同的金屬嵌套工藝與新材料相結合，以實現更小的互連和更少的延遲。

● 半金屬嵌套。這是一個更激進的方法，使用減法蝕刻，實現微小的互連。

● 超級通孔、石墨烯互連和其他技術。這些都還處在研發中，因為行業仍在積極尋找銅的替代品。每項提議的研發技術都面臨挑戰。因此，行業正在做兩手準備，并開發替代方法來開發新的系統級設計。先進封裝是其中一種方法，預計它將繼續獲得牽引力，無論在什么節點。

▲ BEOL（銅互連層）和FEOL（晶體管級）來源：維基百科

從鋁到銅

在芯片制造工藝中，晶體管是在晶圓廠的晶圓上制造的。這一工藝是在生產線的前道進行的。而互連和MOL層，是在另一個單獨的晶圓廠稱為后道線（BEOL）制造的。

直到20世紀90年代，芯片都采用了基于鋁材料的互連技術。但在上世紀90年代末，當先進芯片接近250nm時，鋁無法承受器件中更高的電流密度而選擇銅作為替代。

因此，從20世紀90年代末的220nm/180nm開始，芯片制造商開始從鋁轉向銅。據IBM稱，銅互連電路的導電電阻比鋁低40%，這有助于提高芯片的性能。

1997年，IBM宣布了世界上第一個基于220nm技術的銅互連工藝。這種被稱為雙金屬嵌套（dual-damascene）的工藝成為芯片中銅互連制造的標準方法，沿用至今。

最初，這種工藝的芯片具有6層互連。當時，根據維基百科的數據，180nm設備的金屬間距為440nm至500nm。相比之下，在5nm節點，芯片由10到15層互連組成，金屬間距為36nm。根據TEL，金屬間距是指互連線之間的最小中心距。

在雙金屬嵌套工藝中，首先在器件表面沉積低k介電材料。基于碳摻雜氧化物材料，低k薄膜被用來作為器件的一部分與另一部分的絕緣層。

下一步是在電介質材料中形成微小的通孔和溝槽。每個節點上的通孔/溝槽越來越小。因此，在當今的先進芯片中，芯片制造商正在使用極紫外光刻技術（EUV）來設計通孔。

在未來的節點上，通孔將需要具有多圖形的EUV。“EUV多圖形模式的挑戰與ArFi（193nm浸沒）實施過程中遇到的挑戰非常相似，”布魯爾科學公司的高級技術專家Doug Guerrero說。“如果使用ArFi或EUV，（機器對機器的）掩膜將變得至關重要。從材料的觀點來看，多重圖形化總是包括合并平面化層。平面化材料也稱為間隙填充材料。它們必須填充和平整一個高深寬比的非常狹窄的溝槽。”

在該步驟之后，蝕刻圖形化結構，形成通孔和溝槽。然后，使用物理氣相沉積（PVD），在溝槽內沉積基于氮化鉭（TaN）的薄阻擋材料。然后，在TaN阻擋層上沉積鉭（Ta）襯墊材料。最后，利用電化學沉積（ECD）技術在通孔/溝槽結構中填充銅。這個工藝在每一層要重復多次，形成一個銅布線方案。

這一工藝在20nm之前沒有任何問題，當時互連中的銅電阻率呈指數級增加，導致芯片延遲。因此，從22nm和/或16nm/14nm開始，芯片制造商開始做出一些重大改變。在互連方面，許多人用鈷代替鉭作為內襯，這有助于降低互連中的電阻。

同樣在這些節點上，芯片制造商也從傳統的平面晶體管轉向下一代FinFETs，后者以更低的功耗提供更高的性能。

在10nm處，英特爾采取了另一個步驟來降低芯片的電阻。英特爾10nm工藝采用13層金屬。英特爾的前兩個局部互連層，稱為金屬0（M0）和金屬1（M1），將鈷作為導電金屬，而不是銅。其余的層使用傳統的銅金屬。

其他芯片制造商則將銅價維持在M0和M1。不過，在10nm/7nm的情況下，所有芯片制造商都將MOL中的微小觸點材料從鎢改為鈷，這也降低了線電阻。

如今，領先的芯片制造商已經將FinFETs和銅互連擴展到5nm。可以肯定的是，先進節點芯片的應用，使得新的和更快的系統成為可能。

“毫無疑問，能夠以比現在快10倍的速度進行計算在商業上是有用的，而且是有競爭力的，即使是在非技術性市場，”D2S首席執行官Aki Fujimura表示。“對更高計算能力的需求幾乎沒有盡頭。”

▲ 雙金屬嵌套制造工藝；（a）通孔圖形化；（b）通孔和溝槽圖形化；（c）阻擋層沉積和銅籽晶沉積；（d）電鍍銅和通過化學機械拋光去除多余部分；（e）覆蓋層沉積資料來源：TU Wien/Institute for Microelectronics

不過，仍有一些令人不安的跡象即將出現。縮小晶體管的好處是在每個節點上都在減少，RC延遲問題仍然存在。

“在7nm和/或5nm代工節點，銅互連可能由鉭氮化物阻擋層和鈷作為內襯組成，”IBM高級BEOL互連技術研究部高級經理Griselda Bonilla說。“當尺寸縮小時，線電阻不成比例地增加，占總延遲的比例更高。電阻的增加是由幾個因素驅動的，包括導體橫截面的減小，由于無標度的高電阻率阻擋層和襯層而導致的銅體積分數的進一步降低，以及由于表面和晶界的有損電子散射而導致的電阻率增加。”

遷移到3nm及以后

不過，這并沒有阻止該行業向下一個節點進軍。如今，領先的代工廠正在生產5nm、3nm/2nm及更高規格的產品。

三星計劃在3nm的時候生產下一代晶體管，稱為環柵場效應晶體管。臺積電計劃將FinFETs擴展到3nm，但將在2nm左右遷移到環柵。

當鰭（fin）寬度達到5nm（相當于3nm節點）時，FinFETs接近其實際極限。環柵晶體管比FinFETs具有更好的性能、更低的功耗和更低的漏電，但它們的制造難度更大，成本也更高。

根據Imec的數據，在3nm處，金屬間距將在24nm到21nm之間。而在3nm，芯片制造商將繼續擴展和使用傳統的銅雙金屬嵌套工藝和現有的材料，這意味著RC延遲仍將是芯片的問題。

“當我們遷移到3nm節點時，我們將看到使用多圖形化EUV的、小于25nm的臨界Mx間距的BEOL會繼續縮放，”KLA工藝控制解決方案主管Andrew Cross說。“這種持續的間距縮放將繼續影響線電阻和通孔阻力，因為阻隔材料的厚度縮放比間距慢。”

在研發方面，行業將繼續探索各種新技術，以幫助解決3nm及以后的這些或其他問題。“在24nm左右的金屬間距下，我們預計將開始看到一些有利的設計和材料變化，”Onto Innovation戰略產品營銷高級總監Scott Hoover說。“這包括完全自對準通孔、埋入式電源軌、supervia集成方案，以及更廣泛地采用釕襯墊。”

在BEOL中開發的電源軌是設計用來處理晶體管中的電源傳輸網絡功能的微小結構。Imec正在開發下一代埋入式電力軌（BPR）技術。在FEOL中開發的BPRs被埋入晶體管中，以幫助釋放互連的路由資源。

此外，業界還一直探索在互連中使用釕材料作為襯墊。“釕以改善銅的潤濕性和填充間隙而聞名，”IBM的Bonilla說。“雖然釕具有優異的銅潤濕性，但它也有其他缺點，例如電遷移壽命較短，以及化學機械拋光等單元工藝挑戰。這減少了行業中釕襯墊的使用。”

其他新的和更有前途的互連解決方案即將出現，但它們可能要到2023/2024年的2nm到來時才會出現。根據Imec的路線圖，行業可以從今天的雙金屬嵌套工藝轉移到下一代技術，稱為2nm混合金屬化。接下來將是半金屬嵌套和其他計劃。

所有這些都取決于幾個因素，即開發新工藝、新材料和新設備的能力。成本也是關鍵。

“沒人想到現在的計劃能延續這么多代人。這是通過漸進式的改進和大量的艱苦工作完成的，”LamResearch計算產品副總裁David Fried說。“未來會有更重大的變化，但我預測它們將以更具進化性的改進源源不斷地引入。很明顯，可靠性對降低層間介電常數k值提出了一些主要障礙，但這一點仍在繼續降低。隨著填充材料的變化，對襯墊的要求（或甚至有襯墊/阻擋層的要求）也會發生變化。與這些材料相關的工藝將呈現不同集成方案的優點和缺點，例如雙金屬嵌套、單金屬嵌套、完全自對準工藝，甚至減法金屬化。在幾代人的時間里，BEOL看起來可能與今天完全不同，但我預計這實際上是許多漸進式變化的產物，所有這些變化都是同時發生的。”

盡管如此，對于最主要的層，今天的銅金屬嵌套工藝將延伸進去。“雙金屬嵌套總是一個力道的問題。只要我們的間距在26納米或24納米以上，這幾乎仍然是銅和鈷的領地，”Imec納米互連項目主管Zsolt Tokei說。“臨界點是當你的間距低于20納米時。在20納米間距以下，存在許多問題。這不僅是電阻問題，更是可靠性問題，尤其是銅。”

大致上在這個相當于2nm節點的間距上，工業界希望向一種稱為混合金屬化的技術進行遷移。有人稱之為預填充工藝。這項技術可能被插入最主要的層，但不太關鍵的層將繼續使用傳統的銅工藝。

在基本的混合金屬化流程中，將介質材料沉積在沉底上。然后，使用傳統的金屬嵌套工藝形成微小的銅過孔和溝槽。然后，重復這個工藝，形成微小的通孔和溝槽。

但下一步不是使用雙金屬嵌套工藝，而是選擇性沉積通孔金屬。空的通孔填充有金屬導體，而不使用襯墊，”Tokei解釋道。“鉬、釕或鎢等金屬可以用來填充微小的通孔。最后完成了傳統的銅金屬化，這可以看作是一個單一的金屬嵌套銅金屬化。”

單金屬嵌套在半導體界并不是一種新工藝。“雙金屬嵌套工藝比單金屬嵌套更靈巧、更具成本效益。隨著技術的發展，雙金屬嵌套面臨的挑戰是在更高、更窄的線寬上通過組合開孔進行無缺陷的銅金屬化，”IBM研究人員的主要成員Takeshi Nogami說。“單金屬嵌套將這兩種金屬化圖形分離開來，使其更容易縮小寬度和間距尺寸，提高線長寬比，以減輕電阻的增加。”

混合金屬化在互連中使用兩種不同的金屬。“對于2nm來說，這很有意義，至少對一層來說是這樣，”Imec的Tokei說。“與雙金屬嵌套相比，通孔電阻更低，可靠性會提高。同時可以保持互連中銅的低電阻率。”

不過，混合金屬化存在一些障礙。有幾種不同且困難的沉積技術來實現間隙填充過程。“挑戰在于實現良好的通孔填充均勻性，而不損失可選擇性，”臺積電研究員M.H.Lee在IEDM的一篇論文中說。“此外，通孔側壁無障礙物，通孔材料和底層金屬的潛在相互作用可能導致可靠性問題。”

何謂半金屬嵌套？

如果工業界能夠解決這些問題，則可以在2nm處植入混合金屬化。但如果要繼續芯片縮放，該行業可能需要2nm以后的另一種解決方案。

在2nm以后，下一個重要的步驟是許多人所說的半金屬嵌套工藝，這是一種針對最主要金屬間距的更激進的技術。在研發方面，業界探索半金屬嵌套有幾個原因。

“在雙金屬嵌套結構中，線的體積是銅晶粒生長的限制因素，”TEL技術高級主管Robert Clark說。“如果金屬線是通過沉積金屬層形成的，金屬層可以退火，然后通過蝕刻形成線，那么晶粒尺寸可以增加。但對銅來說，這種工藝很難實現。像釕這樣的金屬在這種工藝中更容易處理，因此它有可能實現人們所說的半金屬嵌套工藝。”

半金屬嵌套的起點是20納米以下的間距。“我們的目標是18納米及以下的半金屬嵌套。所以，也許四五年后就會這樣，”Imec的Tokei說。“這對一家邏輯工廠來說是破壞性的。等于建立了一個用于銅金屬化和雙金屬嵌套的晶圓廠。混合金屬化幾乎自然而然地就進入了這一流程。你需要一些像通孔預填充等新的功能。但除此而外，你還可以重復使用晶圓廠的一切。”

半金屬嵌套需要不同的工藝和新的設備。簡單地說，半金屬嵌套實現了具有空氣間隙的微小通孔，這減少了芯片中的RC延遲。

這項技術依賴于使用襯底蝕刻工藝的金屬圖形化。襯底蝕刻并不是新技術，它被用于舊的鋁互連工藝。但是，在2nm以下實現這項技術有幾個挑戰。

半金屬嵌套工藝從一個通孔開口的圖形開始，然后將其蝕刻成一個介電薄膜。然后，通孔被金屬充分填充，意思是金屬沉積一直持續到電介質上形成一層金屬。然后金屬被掩膜和蝕刻，以形成金屬線條，”Tokei在最近的一篇文章中說。

Imec在實驗室里設計了一種基于64位Arm CPU的12層金屬器件。該器件有兩層金屬互連使用釕材料。金屬線之間形成了空氣間隙。

“空氣間隙顯示出將性能提高10%的潛力，同時功耗降低5%以上，”Tokei說。“使用高深寬比導線可以將電源中的IR降降低10%，從而提高可靠性。”

然而，半金屬嵌套工藝還遠未投入生產。Tokei在最近的一篇論文中說：“半金屬嵌套方案有許多潛在的問題，例如對準、金屬蝕刻、LER、漏電、芯片-封裝相互作用、密封環兼容性、等離子體損傷和可路由性。”

結 論

除了上面列舉的以外，還有一些其他的互連技術正在研發中，比如超級孔、混合金屬-石墨烯互連以及銅的替代品。

不過，可以肯定的是，業界更愿意盡可能延長銅雙金屬嵌套的使用期限，因為下一代技術還面臨若干挑戰。

在某種程度上，行業需要下一代互聯技術。芯片制造商也許會找到解決辦法。但如果做不到這一點，傳統的芯片縮放就有可能走到了盡頭，迫使業界尋找替代方案來實現先進的芯片。

這些已經發生了。先進封裝的發展勢頭已經形成，這是一種替代性的方法，能夠開發具有更多定制可能性的系統級設計。

不過，目前業界正在研究傳統的芯片縮放方法，以及開發新的系統級設計的先進封裝。至少在可預見的未來，這兩種方法都是可行的。

原文標題：技術 | 突破2nm障礙

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責任編輯：haq