芯片制程中金属互连工艺及其相关理论研究进展

李亚强，马晓川，张锦秋，杨培霞，安茂忠

（哈尔滨工业大学 化工与化学学院 新能源转换与储存关键材料技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150001）

当今世界，芯片在日常生活中扮演着越来越重要的角色，在互联网领域、现代电子设备领域、航空航天领域等[1]都占据着重要地位，现已成为经济增长的新引擎[2]。芯片制造技术的发展为电子信息技术带来了巨大的发展机遇。

长期以来，芯片技术基本按摩尔定律发展。金属互连技术最初采用铝互连工艺，20 世纪90 年代，IBM宣布采用大马士革铜互连工艺后[3]，互连技术进入了铜互连时代。然而，当芯片制作技术发展到20 nm 节点以下时，铜互连技术则不能再使用大马士革工艺。一方面，铜镀液中的添加剂多为大分子，这些分子的尺寸可达数纳米，导致添加剂在沟槽两壁上的吸附层就足以堵塞纳米级孔道，致使Cu2+不能穿过而无法实现电沉积；另一方面，随着互连尺寸的进一步缩小，阻挡层和种子层在沟槽内占据的比例升高，导致金属电阻率大幅度升高[4]。同时，当互连线的横向尺寸小于或等于金属传导电子的平均自由程时，会发生明显的尺寸效应[5]，即电子在表面和晶界的散射会导致互连线的电阻率增加1 个数量级以上[6-8]。因此，需要寻找在纳米尺度下具有更高可靠性和更低线电阻的金属来解决铜互连线缩孔缺陷和电阻率上升的问题[9-11]。

研究表明，在纳米尺度下使用平均电子自由程短的金属可以在不引起电阻率急剧上升的情况下继续缩小互连线的尺寸。……