先进封装驱动互连变革——电阻率尺寸效应下的材料选择与挑战

 

随着半导体器件持续微缩，金属互连在传输电信号方面的作用日益关键。铜因其1.68 μΩ·cm的低块体电阻率，长期以来是互连材料的首选。然而，当互连线物理尺寸缩小至10 nm以下时，铜的电阻率显著上升，这一现象被称为电阻率尺寸效应。互连电阻的增大导致电阻-电容延迟，直接降低晶体管和存储器件的运行速度，成为制约先进封装和人工智能计算性能提升的关键瓶颈。在薄膜电阻率表征方面，Xfilm埃利四探针方阻仪能够精确测量纳米级金属薄膜的方阻与电阻率，为互连材料的筛选与工艺优化提供了可靠的测试手段。本文综述了替代互连材料的研究进展，涵盖单元素金属、二元金属间化合物、三元体系及拓扑半金属等候选材料。

先进集成电路及垂直堆叠系统中的互连架构

 

电阻率尺寸效应 

 

金属的总电阻率可由马西森定则描述，即声子散射、杂质散射和缺陷散射的贡献之和。当互连线尺寸缩小至与电子平均自由程相当或更小时，表面散射和晶界散射成为主导因素。福克斯-桑德海默模型描述表面散射，引入镜面反射参数p来表征界面粗糙度；梅-斯帕克斯模型描述晶界散射，以反射系数R量化晶界对电子的阻碍。两者共同决定了薄膜和纳米线的电阻率随尺寸的变化规律。对于铜而言，其块体电子平均自由程约39 nm，当线宽缩至10 nm以下时，表面和晶界散射急剧增强，导致电阻率远超块体值。

 

互连材料筛选准则

 

由于电阻率尺寸效应的存在，块体电阻率ρ₀与电子平均自由程l的乘积ρ₀l被确立为互连材料评估的通用优值。该乘积越小，材料在纳米尺度下的电阻率退化越弱。图5展示了不同电子平均自由程下厚度依赖性电阻率的变化趋势：铜的长电子平均自由程导致其在超薄厚度下电阻率急剧上升，而钌和铱因电子平均自由程较短，电阻率随厚度变化平缓，并在约5 nm处与铜交叉，表现出更优的尺寸缩放特性。此外，材料的内聚能同样关键，高内聚能意味着更强的原子间结合力，可有效抑制电迁移失效。

 电子平均自由程驱动的厚度依赖性电阻率交叉效应

 

单元素金属候选材料

/Xfilm

 

在单元素金属中，钌、铱、钼、钴和镍因电子平均自由程较短而受到广泛关注。图7对比了这些候选金属在真实衬底堆叠中的厚度依赖性电阻率。铜/氮化钽参考样品在厚度低于15 nm时电阻率急剧上升，而钌和钼在相同厚度下保持较低的电阻率。钌凭借成熟的化学气相沉积和原子层沉积工艺，可制备2 nm连续薄膜，是目前工艺兼容性最好的候选材料。铱和钌的内聚能分别达到7.1和8.0 eV/原子，对应的电迁移激活能接近1.1 eV，远高于铜的0.8 eV，表现出更优的可靠性。钼的块体电阻率虽高于钌，但其热稳定性优异，在高温退火后电阻率变化极小，适合需要后道高温工艺的集成场景。

 候选互连金属在真实衬底堆叠中的厚度依赖性电阻率对比

 

二元金属间化合物

/Xfilm

 

二元金属间化合物兼具短电子平均自由程和高内聚能的优势，同时有序晶格可抑制无序合金散射。钌铝块体电阻率约14 μΩ·cm，电子平均自由程仅3–6 nm，表面镜面反射参数高达0.9，电阻率随厚度变化极小，且在900 °C退火后保持稳定。镍铝通过背面减薄和外延生长等微结构工程手段，可将电阻率降至接近理论极限。此外，镍钴固溶体因其d带中心高度对齐，电子无序散射弱，ρ₀l值约5.7×10⁻¹⁶ Ω·m²，在9 nm厚度下电阻率约20 μΩ·cm，优于同尺寸铜/氮化钽堆叠。

 

三元体系与拓扑半金属

/Xfilm

 

三元体系中，MAX相材料如V₂AlC和Ti₄SiC₃表现出优异的尺寸无关电阻率特性。V₂AlC在6 nm厚度下电阻率约49 μΩ·cm，与厚膜几乎一致。Ti₄SiC₃在92.1 nm和5.8 nm厚度下的室温电阻率分别为35.2和37.5 μΩ·cm，变化极小，这得益于其层状晶体结构中极高的电子平均自由程。拓扑半金属如CoSi则展现出独特的表面主导输运机制：在体相区，其费米能级附近的态密度较低，导电性有限；但当厚度缩至几纳米时，拓扑表面态主导电流传输，界面电阻反而降低，与铜的体相主导行为形成鲜明对比。这类材料的发现为纳米互连提供了全新的设计思路。

综上所述，铜互连在亚10 nm节点面临根本性局限，替代金属的研究已从单一性能指标转向材料-工艺协同优化。钌、钌铝和镍钴等候选材料在电阻率缩放、电迁移可靠性和工艺兼容性方面展现出综合优势。有序金属间化合物如钌铝和镍铝，兼具强原子键合与低ρ₀l值，在电迁移鲁棒性和尺寸效应抑制方面表现突出。未来互连技术的发展将依赖于先进导体、超薄阻挡层和工艺策略的协同设计。在这一过程中，Xfilm埃利四探针方阻仪作为薄膜电阻率精确表征的关键工具，将持续为新型互连材料的研发与质量控制提供不可或缺的测试支撑。

 

Xfilm埃利四探针方阻仪

/Xfilm

 

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

 

超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

高精密测量，动态重复性可达0.2%

全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节

快速材料表征，可自动执行校正因子计算

基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电阻测量优势，可助力评估电阻，推动多领域的材料检测技术升级。

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原文参考：《Recent progress in alternative metals for advanced interconnects》

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