隨著半導(dǎo)體器件持續(xù)微縮，金屬互連在傳輸電信號方面的作用日益關(guān)鍵。銅因其1.68 μΩ·cm的低塊體電阻率，長期以來是互連材料的首選。然而，當(dāng)互連線物理尺寸縮小至10 nm以下時(shí)，銅的電阻率顯著上升，這一現(xiàn)象被稱為電阻率尺寸效應(yīng)?；ミB電阻的增大導(dǎo)致電阻-電容延遲，直接降低晶體管和存儲器件的運(yùn)行速度，成為制約先進(jìn)封裝和人工智能計(jì)算性能提升的關(guān)鍵瓶頸。在薄膜電阻率表征方面，Xfilm埃利四探針方阻儀能夠精確測量納米級金屬薄膜的方阻與電阻率，為互連材料的篩選與工藝優(yōu)化提供了可靠的測試手段。本文綜述了替代互連材料的研究進(jìn)展，涵蓋單元素金屬、二元金屬間化合物、三元體系及拓?fù)浒虢饘俚群蜻x材料。

先進(jìn)集成電路及垂直堆疊系統(tǒng)中的互連架構(gòu)

電阻率尺寸效應(yīng)

金屬的總電阻率可由馬西森定則描述，即聲子散射、雜質(zhì)散射和缺陷散射的貢獻(xiàn)之和。當(dāng)互連線尺寸縮小至與電子平均自由程相當(dāng)或更小時(shí)，表面散射和晶界散射成為主導(dǎo)因素。福克斯-桑德海默模型描述表面散射，引入鏡面反射參數(shù)p來表征界面粗糙度；梅-斯帕克斯模型描述晶界散射，以反射系數(shù)R量化晶界對電子的阻礙。兩者共同決定了薄膜和納米線的電阻率隨尺寸的變化規(guī)律。對于銅而言，其塊體電子平均自由程約39 nm，當(dāng)線寬縮至10 nm以下時(shí)，表面和晶界散射急劇增強(qiáng)，導(dǎo)致電阻率遠(yuǎn)超塊體值。

互連材料篩選準(zhǔn)則

由于電阻率尺寸效應(yīng)的存在，塊體電阻率ρ?與電子平均自由程l的乘積ρ?l被確立為互連材料評估的通用優(yōu)值。該乘積越小，材料在納米尺度下的電阻率退化越弱。圖5展示了不同電子平均自由程下厚度依賴性電阻率的變化趨勢：銅的長電子平均自由程導(dǎo)致其在超薄厚度下電阻率急劇上升，而釕和銥因電子平均自由程較短，電阻率隨厚度變化平緩，并在約5 nm處與銅交叉，表現(xiàn)出更優(yōu)的尺寸縮放特性。此外，材料的內(nèi)聚能同樣關(guān)鍵，高內(nèi)聚能意味著更強(qiáng)的原子間結(jié)合力，可有效抑制電遷移失效。

電子平均自由程驅(qū)動的厚度依賴性電阻率交叉效應(yīng)

單元素金屬候選材料

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在單元素金屬中，釕、銥、鉬、鈷和鎳因電子平均自由程較短而受到廣泛關(guān)注。圖7對比了這些候選金屬在真實(shí)襯底堆疊中的厚度依賴性電阻率。銅/氮化鉭參考樣品在厚度低于15 nm時(shí)電阻率急劇上升，而釕和鉬在相同厚度下保持較低的電阻率。釕憑借成熟的化學(xué)氣相沉積和原子層沉積工藝，可制備2 nm連續(xù)薄膜，是目前工藝兼容性最好的候選材料。銥和釕的內(nèi)聚能分別達(dá)到7.1和8.0 eV/原子，對應(yīng)的電遷移激活能接近1.1 eV，遠(yuǎn)高于銅的0.8 eV，表現(xiàn)出更優(yōu)的可靠性。鉬的塊體電阻率雖高于釕，但其熱穩(wěn)定性優(yōu)異，在高溫退火后電阻率變化極小，適合需要后道高溫工藝的集成場景。

候選互連金屬在真實(shí)襯底堆疊中的厚度依賴性電阻率對比

二元金屬間化合物

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二元金屬間化合物兼具短電子平均自由程和高內(nèi)聚能的優(yōu)勢，同時(shí)有序晶格可抑制無序合金散射。釕鋁塊體電阻率約14 μΩ·cm，電子平均自由程僅3–6 nm，表面鏡面反射參數(shù)高達(dá)0.9，電阻率隨厚度變化極小，且在900 °C退火后保持穩(wěn)定。鎳鋁通過背面減薄和外延生長等微結(jié)構(gòu)工程手段，可將電阻率降至接近理論極限。此外，鎳鈷固溶體因其d帶中心高度對齊，電子無序散射弱，ρ?l值約5.7×10?1?Ω·m2，在9 nm厚度下電阻率約20 μΩ·cm，優(yōu)于同尺寸銅/氮化鉭堆疊。

三元體系與拓?fù)浒虢饘?/p>

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三元體系中，MAX相材料如V?AlC和Ti?SiC?表現(xiàn)出優(yōu)異的尺寸無關(guān)電阻率特性。V?AlC在6 nm厚度下電阻率約49 μΩ·cm，與厚膜幾乎一致。Ti?SiC?在92.1 nm和5.8 nm厚度下的室溫電阻率分別為35.2和37.5 μΩ·cm，變化極小，這得益于其層狀晶體結(jié)構(gòu)中極高的電子平均自由程。拓?fù)浒虢饘偃鏑oSi則展現(xiàn)出獨(dú)特的表面主導(dǎo)輸運(yùn)機(jī)制：在體相區(qū)，其費(fèi)米能級附近的態(tài)密度較低，導(dǎo)電性有限；但當(dāng)厚度縮至幾納米時(shí)，拓?fù)浔砻鎽B(tài)主導(dǎo)電流傳輸，界面電阻反而降低，與銅的體相主導(dǎo)行為形成鮮明對比。這類材料的發(fā)現(xiàn)為納米互連提供了全新的設(shè)計(jì)思路。

綜上所述，銅互連在亞10 nm節(jié)點(diǎn)面臨根本性局限，替代金屬的研究已從單一性能指標(biāo)轉(zhuǎn)向材料-工藝協(xié)同優(yōu)化。釕、釕鋁和鎳鈷等候選材料在電阻率縮放、電遷移可靠性和工藝兼容性方面展現(xiàn)出綜合優(yōu)勢。有序金屬間化合物如釕鋁和鎳鋁，兼具強(qiáng)原子鍵合與低ρ?l值，在電遷移魯棒性和尺寸效應(yīng)抑制方面表現(xiàn)突出。未來互連技術(shù)的發(fā)展將依賴于先進(jìn)導(dǎo)體、超薄阻擋層和工藝策略的協(xié)同設(shè)計(jì)。在這一過程中，Xfilm埃利四探針方阻儀作為薄膜電阻率精確表征的關(guān)鍵工具，將持續(xù)為新型互連材料的研發(fā)與質(zhì)量控制提供不可或缺的測試支撐。

Xfilm埃利四探針方阻儀

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Xfilm埃利四探針方阻儀用于測量薄層電阻（方阻）或電阻率，可以對最大230mm 樣品進(jìn)行快速、自動的掃描， 獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

超高測量范圍，測量1mΩ~100MΩ

高精密測量，動態(tài)重復(fù)性可達(dá)0.2%

全自動多點(diǎn)掃描，多種預(yù)設(shè)方案亦可自定義調(diào)節(jié)

快速材料表征，可自動執(zhí)行校正因子計(jì)算

基于四探針法的Xfilm埃利四探針方阻儀，憑借智能化與高精度的電阻測量優(yōu)勢，可助力評估電阻，推動多領(lǐng)域的材料檢測技術(shù)升級。

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原文參考：《Recent progress in alternative metals for advanced interconnects》

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