Imec 證實合金薄膜電阻首度超越銅和釕，推動先進金屬導線技術

本週舉行的 2023 年 IEEE 國際內連技術會議（IITC），比利時微電子研究中心（imec）展示成果，首次證實導體薄膜電阻於 12 吋矽晶圓可超越業界的金屬導線材料銅（Cu）和釕（Ru）。厚度 7.7 奈米的鎳鋁二元合金經過晶粒工程後，可測得最低電阻為 11.5µWcm，是線寬 10 奈米以下達成低電阻內連技術的里程碑。

imec 表示，為了跟上元件微縮進度，先進邏輯與記憶體晶片的最小線寬很快就會接近 10 奈米。這種微縮尺寸下，銅材電阻會急遽升高，可靠度也隨之下滑，迫使內連技術研發人員尋找取代銅的導線材料。最初開發重點是金屬元素，但後來逐漸延伸到二元及三元有序介金屬。2018 年 IEEE 國際內連技術會議（IITC）由 imec 先行展開研究。

imec 透過建立一套基於第一原理（ab initio）計算的獨特方法揀選最具發展潛能的材料，並以塊材電阻與電荷載子平均自由路徑（mean free path）（r0 xl）的乘積為主要的品質因子（FOM）來排序分級。這套基於理論的性能評估是後續在 12 吋晶圓上進行技術實驗的開端。

imec 研究員暨奈米導線研究計畫主持人 Zsolt Tőkei 表示，為了深入了解選定二元合金材料在小尺寸下電阻表現並建模，2023 年 IEEE 國際內連技術會議（IITC）提出有效電阻率，考量合金成分變化及有序和無序材料的影響。分析後發現，導體薄膜本身晶粒尺寸小，所以二元合金薄膜的電阻主要受晶界散射影響，無序結構也會增加薄膜厚度。

imec 指出，鎳鋁合金（NiAl）化學計量研究，7.7 奈米薄膜經測量後，電阻最低可達 11.5µWcm，比銅低 23%。方法是後段製程容許的操作溫度下，鍺（Ge）磊晶層上沉積一層 50 奈米的大粒徑鎳鋁薄膜，然後薄化實驗。實驗留用較大粒徑（45.7 奈米），所以能減緩晶界散射對電阻的影響。Zsolt Tőkei 強調，這項實驗展示 12 吋晶圓上製造導體薄膜可達成低電阻值，推動持續探索二元及三元合金導線材料。imec 也在研究這些合金的成分控制，以及未來整合至導線蝕刻製程的相容性。

(首圖來源：Pixabay)