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随着半导体制造技术迈入极小的纳米节点，互连技术正面临前所未有的挑战，在接近1nm（10Å）节点的制程中，传统的铜基互连面临着功率消耗和信号延迟问题，导致设计和材料的转型变得迫在眉睫。
为了解决这些问题，行业正在探索替代金属如钌（Ru）和钼（Mo）等材料，以优化电阻、降低功耗并提高芯片的性能和可靠性。
我们一起讨论和分析互连技术的最新进展，包括新材料的应用、技术的挑战和发展方向，变革对未来芯片制造的深远影响。
Part 1
互连技术的现状与挑战
● 互连技术的关键问题
随着半导体制程的不断缩小，互连结构逐渐成为影响芯片性能和功耗的主要瓶颈。
在10nm以下的节点中，铜基互连的电阻和RC延迟已经达到了临界点，无法满足未来芯片对于高速传输和低功耗的需求。
具体来说，铜作为导电材料，在小尺寸节点中的应用逐渐显现出明显的缺陷，包括信号传输速度的限制和功耗的激增。
根据当前的技术趋势，在1nm节点上，互连的金属线间距已经减少到约20nm，导致成品率和信号传输延迟问题日益突出。
更重要的是，随着工艺尺寸的不断减小，互连的堆栈占据了芯片功率消耗的三分之一，并且在RC延迟中占据了高达75%的比重，这对芯片整体性能和稳定性造成了严峻挑战。
● 铜的局限性与替代材料的需求
铜已成为半导体制造中最常用的导电材料，但随着制程节点的不断缩小，铜的局限性变得愈发明显。
◎ 铜互连的电阻在小尺寸节点中的问题使得其无法满足日益增长的带宽需求和低功耗目标。这推动了半导体行业开始探索替代材料，以期优化信号传输和减少功耗。
钌（Ru）和钼（Mo）是当前在铜互连的替代材料中的两个关键选项。
◎ 钌作为一种新兴的互连材料，其具有较低的电阻率，并且在纳米尺寸下的电气性能较为稳定。
◎ 相比之下，钨（W）在一些存储器件中（如DRAM和3D NAND）已经接近其应用的极限，因此钼作为一种具有较低电阻率和成本优势的材料，逐渐成为了钨的潜在替代者。
Part 2
钌与钼的应用与挑战
● 钌的应用前景
钌作为一种新兴的导电材料，在高端逻辑制造中的应用前景广阔。
◎ 钌的最大优势在于其电阻率较低，并且在纳米尺寸下表现出较好的电气性能。钌不需要高电阻率屏障来实现最佳性能，这使得它在替代铜的过程中展现出较大的潜力。
◎ 此外，钌的固有扩散性较小，使得其在与介电材料的结合中不易发生扩散，避免了铜在生产过程中出现的许多问题。
为了优化RC延迟并减少功耗，钌在互连中的应用通常配合低k介电材料使用，从而减少寄生电容，提升性能。
尽管如此，钌在电气性能上的优势并非没有挑战。钌在高密度封装中的应用可能会面临机械稳定性的问题，尤其是在结构紧凑的互连中，钌的稳定性需要通过进一步的工艺优化和测试来验证。
◎ 钌的另一个优势在于其良好的制造兼容性，特别是在减成蚀刻工艺中。钌的沉积工艺相对成熟，可以通过多种方式如PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）以及ALD（原子层沉积）来实现，适应了不同工艺的需求。
随着技术的进一步成熟，钌有望成为逻辑节点互连中不可忽视的重要材料。
● 钼的潜力与挑战
钼在互连材料中的应用相较于钌处于起步阶段，但已经引起了广泛关注。
◎ 钼的电阻率较低，并且比钨具有更好的工艺兼容性，特别是在不需要高电阻率屏障的情况下，钼能够实现较低的电阻，进而提高芯片的性能和稳定性。
◎ 钼的优势还在于其较低的成本，这使得它成为许多半导体制造商在寻找铜替代材料时的理想选择。
◎ 钼的另一个重要优势是其适用于现有的镶嵌工艺，且不需要像钨那样额外的阻挡层。通过优化沉积工艺，钼能够在较低的温度下进行溅射沉积，降低了生产过程中材料的损耗。
◎ 此外，钼材料的晶粒结构可以在薄膜基底上优化，提高了其电气性能，使其能够满足高性能逻辑芯片对导电性能的严格要求。
钼具备多项优势，其在实际应用中的挑战仍然存在。
◎ 首先，钼的制造过程仍处于开发阶段，尚未完全成熟，特别是在与现有工艺的兼容性和稳定性方面需要更多的测试和验证。
◎ 此外，钼的长期可靠性仍然需要进一步评估，特别是在高密度互连中的应用。
● 互连技术的未来发展趋势
芯片制造工艺的不断进步，互连技术将继续发展。为了应对极小节点下的性能挑战，材料和结构的变革不可避免。
钌和钼作为铜的替代品，正在逐步展现出巨大的潜力。在未来的芯片制造中，可能会出现更多创新的材料组合，以解决当前互连面临的电阻、功耗和可靠性问题。除了材料本身的改进，互连工艺也将在未来得到不断优化。
随着CFET（反向迁移场晶体管）等新型晶体管结构的逐步推广，互连技术将不得不做出相应的适配，以支持更高密度、更高性能的芯片设计。
小结
随着芯片制程进入1nm节点，互连技术面临的挑战也变得更加复杂。传统的铜互连已无法满足极小节点的需求，推动了替代金属材料的探索。
钌和钼作为铜的潜在替代品，展现了在降低电阻、提高性能方面的巨大潜力，这些材料的应用尚处于发展阶段，但它们的优势为未来的芯片制造提供了新的思路。
原文标题 : 芯片互连技术的转变：从铜基体系到新型金属化的路径
