銅世代告終？

自1990年代中期，銅（Cu）一直用於後段製程，作為內連導線（interconnect）與通孔（via）的主流金屬材料。這些年來，銅材在雙鑲嵌整合製程上展現了長年不敗的優良導電性與可靠度，因此過去認為在晶片導線應用上無需替換這位常勝軍。

但隨著技術世代演進，局部導線層持續微縮，關鍵元件層的線寬降至10nm以下。偏偏在這樣的小尺寸下，銅材的電阻會急遽增加，進而影響電路的整體性能。

此外，銅材需要阻障層（barrier）、襯墊層（liner）與覆蓋層（cap layer）才能維持良好的可靠度；這些外加的元件層能盡量避免銅原子向周圍的介電材料擴散（進而降低發生介電崩潰的風險），同時維持良好的材料附著性。然而，這些元件層（通常具備高電阻）跟不上導線的微縮程度，很難持續薄化，因此在金屬層越來越佔空間，還無法協助改善元件的導電性。

銅材在小尺寸元件上的性能堪憂，迫使導線工程團隊著手尋找替代金屬與新一代金屬化製程。最初關注的是純金屬，亦即結構最為單一的導體，相關研究也有詳細數據紀錄。有趣的是，結果發現，被認定為業界標準的銅材在小尺寸應用上的預期性能最低，其它像是鈷（Co）、釕（Ru）、銠（Ro）、銥（Ir）與鉬（Mo）等金屬的性能反而更佳。這些替代的導體材料在大尺寸應用的電阻比銅材還高，但在導線微縮時，電阻的增幅較緩，因此可能更適合用於小尺寸設計。儘管如此，上述這些金屬材料在例如納入原料成本與環境影響的考量時會較不合適。

圖一 : 六種金屬元素在不同厚度的薄膜上測得的電阻值。

超越純金屬 開拓全新研究領域

大約5年前，imec決定將研究領域延伸至化合物。背後動機是想要解答：我們能不能找到在小尺寸導線應用上勝過銅材（與其它純金屬）電阻與可靠度的二元或三元有序化合物（介金屬）材料？又有哪些無需擴散阻障層或黏著襯墊層？2018年國際晶片導線技術會議（International Interconnect Technology Conference）上發表的首批研究成果奠定了樂觀前景。自此，全球有數個研發團隊採納了這個研究方向，持續探索替代合金，目前尤其專注在二元材料。

圖二 : 二元介金屬的第一原理（ab initio）測試結果；0即塊材電阻，即電子的平均自由路徑。

不過尋找新的金屬材料並不容易，還必須面對各式挑戰。首先，材料組合有非常多的可能性，加上不少金屬的材料特性都還未針對小尺寸設計進行仔細研究。很多時候甚至沒有詳細的物理特性研究。那麼，在思考如何進行實驗以前，有什麼絕佳方法能讓我們精簡這一長串清單呢？我們又該如何確定做出的選擇是符合成本效益的長久之計？還有，這些合金在真正的金屬化製程中具備穩定度和相容性嗎？

本文將呈現一套獨特精練的方法來排序所有的候選材料，根據第一原理（ab initio）計算、實驗與模型來定出最終名單。接著，我們會提出幾種具有發展潛力的材料，並探討未來如何將它們導入先進的金屬化製程。

計算原子結構 聚焦理想合金

超過5000種的材料組合能製成具有導電性的二元合金，三元合金的組合數量甚至更多，所以需要一些指引來加速研發並進行揀選。舉例來說，單看（塊材）電阻就會太過狹隘，因為導體在小尺寸下可能具備更佳性能。

因此，要選出最具潛力的替代材料，第一步就是識別最適合用來與銅材比較的性能指標。imec內連導線研究團隊提出了兩項品質因素：內聚能以及塊材電阻與平均自由路徑之乘積。

電阻與平均自由路徑之乘積：預測材料在小尺寸下的電阻增幅

作為未來導線的材料，金屬的塊材電阻與其內部載子的平均自由路徑應該越小越好。載子的平均自由路徑越小，就越不容易受到由粒子大小決定的表面散射或晶界散射影響。因此，導線材料具備越小的平均自由路徑，就代表其電阻越不受導線尺寸影響。

雖然電阻和平均自由路徑都是重要的性能指標，但為了方便計算，我們取兩者之乘積作為初步篩選的其中一項品質因素，而未來導線的理想材料必須具備比銅（塊材電阻率為1.7μ?．cm，平均自由路徑為39nm）還高的數值。

內聚能：顯示材料的本質可靠度

第二項品質因素是內聚能，作為一種評估導體在導線應用上的可靠度的代理指標。導線的可靠度通常受到兩種現象影響。其一，導體可能受到電遷移影響，也就是因為大電流、熱運動引發的原子擴散或是應力梯度作用等而產生的金屬離子飄移現象。其二，有些金屬容易向周遭的介電材料擴散。倘若沒有阻障層，這就可能導致介電崩潰。上述兩種現象可以用來判斷金屬原子從導線材料中脫離的難易度，這能以金屬材料的內聚能來表示，銅為4eV。

這兩項品質因素皆能從計算原子結構得出，就是基於個別材料的電子結構所進行的固態物理描述，而我們根據第一原理（ab initio）模擬得出的結果以視覺呈現在圖表上。只有具備與銅相當或更高內聚能，且具備更低電阻與平均自由路徑之乘積的金屬合金會被選來進一步研究。

在進入正式篩選前，還有其它因素需要考量。例如，這些合金對介電材料的附著性好嗎？這些化合物能否在熱力學上呈現穩定相態？如果需要退火才能維持穩定的有序相態，那麼所需溫度能否與後段製程相容？這些合金會包含有毒或是稀有化合物嗎？材料成本呢？深入探討材料科學可以幫助我們從先前取得的長串清單中揀選部分合適的材料組合進行研究。

材料測試：評估實現導線微縮的可能性

縮減材料清單是第一步，接著是在12吋晶圓上進行實驗以驗證理論概念。此次實驗取得的數據也會用來饋入模型，幫助了解導體在小尺寸元件上的性能表現。

在其中的一系列實驗中，研究人員在空白晶圓上鍍了不同厚度的薄膜，並測量這些薄膜的電阻。另一系列的實驗則是在測試元件上設計T型的圖形化結構，這與導線應用相關，可以用來研究這些材料實現導線微縮的可能性。有些材料組合的塊材電阻會比銅還高，但為了維持競爭優勢，不能高出太多，而且增幅應該更緩，在10nm以下的尺寸與銅相當或擊敗銅，因為這是銅的瓶頸所在。

這些實驗也提供了有關利用第一原理計算材料特性的準確性。

確認理想材料：從二元鋁合金到三元碳氮化合物

根據第一原理進行的模擬結果顯示，許多二元合金具備理想的材料特性，包含基於鋁、銅、釕的化合物，雖然其實還有其它不錯的材料組合。現在世界各地的研究團隊都在調查這些二元合金的電阻表現。2019年與2022年，亞洲與美洲就有一些相關發表。2021年IEEE國際內連技術會議（IITC）上，imec發表有關鋁合金薄膜採用12吋晶圓製程的電阻研究成果，包含鋁化鎳（AlNi）與鋁銅（AlCu）合金。雖然全球致力於研究工作，顯示了對新興導體材料的迫切需求，確實也有進展，但在材料開發與製程整合上仍有嚴峻挑戰需要克服。

圖三 : 一些獲選進行研究的二元合金電阻特性。

imec團隊也曾考慮開發複雜度更高的三元化合物，但因為可能的材料組合數量太過龐大，甚至不可能以第一原理進行初步篩選。三元化合物的物理特性大都還不清楚，即使都是金屬也是如此。因此，我們必須選擇已經經過研究的特定金屬，例如MAX相，它是由早期過渡金屬（即metal，縮寫為M）、A族元素（為13族或14族元素，縮寫為A）與碳化物或氮化物（縮寫為X）組成。有些MAX相可能具備比純金屬還要佳的性能，因此可望納入未來研究。

圖四 : 目前有不少MAX相的化合物受到關注。

圖五 : 以銅（Cu）與釕（Ru）作為參照，具備穩定相態的MAX相在電阻與內聚能方面的表現：（圖左）211型MAX相（圖右）312型與413型MAX相。淺灰與深灰區域分別代表MAX相可能勝過銅或釕的情形。

未來發展：開發金屬化製程與評估永續性

然而，這些經過圖形化的測試元件並未完整模擬導入實際導線製程的複雜程度。因此，我們的團隊會在不久的將來採取下一步行動：把最具發展潛力的合金材料導入相關的導線製程，同時研究有關後段製程的技術挑戰。

這些替代金屬主要用於最關鍵的（局部）導線層，作為前衛的解決方案。imec規劃的後段製程發展藍圖預期會將這些新興材料用於半鑲嵌導線製程，其中必須直接在可圖形化的金屬材料上進行蝕刻，以製成高深寬比的導線。至於上層導線，銅材依然會是最佳的金屬材料。

圖六 : 包含二元合金的多層元件架構示意圖：二元合金可作為導線與耐火的純金屬通孔。

在半鑲嵌製程導入這些二元或三元合金將會帶來導線整合的技術挑戰。例如，我們已經發現首要挑戰就是控制薄膜材料的化學計量與表面氧化現象。後續的實驗也要為了方便進行導線圖形化而朝向優化蝕刻製程發展。

這些研究未來也會進行永續性評估。供應鏈風險與成本分析可以在材料探索的早期階段進行，但是評估製程的環境足跡需要透過詳細了解每個製造步驟來實現。例如包含獲取更多的化學知識，這樣才能開發新興導體的蝕刻技術，或是了解所需的退火技術和生成化合物所需的衍生物等等。

結語

imec在約5年前開始探索未來導線應用所需的替代二元與三元金屬材料，現在這已成為備受全球關注的新興研究領域。我們在本文提供了一套獨特方法作為指引，用來聚焦最具發展潛力的合金材料。首先是計算兩項品質因素，並搭配實驗與模型。透過這套方法，數個二元與三元MAX相的合金展現了深具前景的材料特性，有利於進行未來研究。